книги / Сооружение подводных трубопроводов

Среднее значение ВМПО Т и среднее квадратическое отклонение <г найдем из выражений

^к

По величине коэффициента вариации можно выдвинуть гипо­ тезу о возможности выравнивания статистической информации с помощью либо теоретического закона Вейбулла, или экспонен­ циального закона распределения.

Параметр формы распределения Вейбулла b и коэффициент Сь

по стандартной таблице равны соответственно b ■ 0,9 и Сь -

- 1,17. Тогда параметр масштаба а - <г/СА184.

Найдем также оценку параметра предполагаемого экспонен­ циального распределения

Таким образом, дифференциальная функция предполагаемого показательного распределения имеет вид

В качестве оценки правильности выбранной гипотезы ис­ пользуем критерий согласия Пирсона х2 (хи-квадрат), числен­ ное значение которого определяется из выражения:

соответственно в начале и конце 1-го интервала.

Вычисленные таким образом величины тт. для укрупненного

интервального вариационного ряда с учетом объединения погяедииу интервалов с малочисленными частотами приведены

в табл. 6.7.

Соответствующее значение Хг ■ 2,475. Число степеней свободы при числе интервалов к - 5 (см. табл. 6.7) для рассматриваемого двухпараметрического (а и b) распределения Вейбулла равно

Аналогично вычисленные теоретические частоты для осталь­ ных интервалов вариационного ряда также представлены в рас­ четной таблице 6.7.

Йз таблицы находим х 2 * 4,704, что свидетельствует о худ­ шем выравнивании эмпирических данных экспоненциальной мо­ делью распределения.

Таким образом на основании сравнительной расчетной таб­ лицы можно сделать вывод о возможности применения теорети­

для прогнозирования надежности морских трубопроводов. Аналогично времени возникновения отказа, объем утечки

можно рассматоивать как случайную величину.

Для разработки статистической модели используем инфор­ мацию об утечках величиной более 6,8 т на нефтепроводах Мексиканского залива (табл. 6.8).

Проверка гипотезы о предполагаемом теоретическом распре­ делении Вейбулла с параметрами а = 432 т и Ъ - 0,8 выполнена

позволяют существенно повысить эффективность прогнозирова­ ния надежности морских трубопроводов, а также объема утечки транспортируемых продуктов.

В плане дальнейших исследований представляется перспек­ тивным разработка вероятностных моделей прогнозирования от­ казов и утечек на локальных отрезках трубопровода с учетом конкретных конструктивных решений трубопроводов и условий их эксплуатации.

Г л а в а 7. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

7.1.ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РЕКИ И ВОДОЕМЫ В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Процесс механизированной разработки береговых и русловых траншей сопровождается существенным увеличением концентра­ ции взвешенных минеральных частиц грунта в воде, охваты­ вающего в результате переноса их потоком воды участки реки в несколько километров. Особенно характерны сильное взмучи­ вание воды и значительное распространение загрязнения при устройстве траншей в глинистых грунтах.

Эти воздействия пагубно сказываются на водных организ­ мах, условиях обитания рыб, планктона и бентоса. Наблюдаются забивание жабер рыб, загрязнение или полное уничтожение мест нереста, кормовых угодий и нагульных площадей. Неправильный выбор места подводного складирования разрабатываемого грун­ та нарушает миграции рыб или приводит к засыпке зимоваль­ ных ям.

Существенные воздействия на водные организмы связаны с производством взрывных работ на переходах трубопроводов че­ рез русла, сложенные скальными грунтами. Разработку траншей в этих случаи выполняют путем рыхления тяжелых грунтов взрывами с последующим извлечением их плавучими землерой­ ными механизмами, а также взрывами на выброс из траншеи с применением шпуровых, скважинных, накладных или комбиниро­ ванных зарядов.

Поражение рыб в зоне взрывных работ обусловлено дейст­ вием гидроударной волны. Радиус зоны поражения (с летальным исходом или травмированием особей) в зависимости от массы и

типа зарядов достигает несколько десятков, иноща сотен метров.

Вторично водоем подвергается загрязнению при обратной засыпке траншеи.

Восстановление нарушенного профиля русла в створе пере­ хода происходит в течение длительного времени.

Нарушение структуры грунтов при разработке траншеи на бе­ регах и в русле приводит к заметному изменению их свойств по сравнению с грунтами целиков. В частности, возрастает по­ ристость грунта, снижаются сцепление грунта и сопротивление его сдвигу. Эти изменения являются одной из причин размыва трубопроводов, особенно на береговых участках.

Воздействия на природную среду рек и водоемов обуслов­ ливаются также несоблюдением требований проекта и правил производства работ. Это - недостаточное заглубление трубо­ проводов, несвоевременное сооружение берегоукреплений, сда­ ча перехода без обратной засыпки траншеи, засорение терри­ тории береговых монтажных площадок строительными и бытовыми отходами, горючесмазочными материалами, в том числе при работе плавучих землеройных механизмов. "Шрамы”, образо­ ванные незасыпанными береговыми траншеями и в русловой час­ ти, ускоряют процессы размыва трубопровода и перехода его в аварийное состояние.

Значительный, часто непоправимый ущеро, наносится малым рекам при строительстве переходов магистральных трубопрово­ дов. (К малым относятся реки шириной по зеркалу воды в ме­ жень до 30 м, глубиной до 1,5 м и протяженностью, как правило, до 200 км). Разработка траншей на таких переходах производится экскаваторами с берегов или временных дамб, канатно-скреперными установками, пневматическими и гидрав­ лическими грунтососами, канавокопателями, взрывом (в скаль­ ных грунтах). Иноща предусматривается временный отвод рус­ ла и выполнение земляных работ непосредственно на дне русла реки. После завершения перехода строительные организации не

Малые реки между тем играют большую роль как места не­ рестилищ и кормовые угодья для рыо, а также источники питания средних и крупных рек и озер.

Аварии на подводных трубопроводах вследствие механических ударов (якорями, волокушами и т.п.), резонансных явлений на размытых участках переходов, нарушения гидроизоляционного покрытия и коррозии приводят к утечкам транспортируемых про­ дуктов и загрязнению водоемов.

В отличие от стационарных источников (таких как сбросы нефтеперерабатывающих заводов) загрязнение при нарушении герметичности подводного трубопровода характеризуется зна­

чительно большим объемом и высокой концентрацией ингреди­ ента, попадаемого в водоем за относительно короткий проме­ жуток времени. Имеют место и продолжительные утечки из трубопровода, например через коррозионные свищи.

Однако основную опасность для водоемов представляют все же залповые выбросы при нарушении герметичности подводных нефте- и продуктопроводов, аммиакопроводов, конденсатопроводов и т.д.

Взаимодействие нефти и воды характеризуется сложными фи­ зико-химическими процессами, протекающими с различной инте­ нсивностью на разных стадиях формирования нефтяного загряз­ нения. Основными из них являются растекание, испарение, диспергирование, эмульгирование, окисление, биодеградация и седиментация.

Растекание нефти по поверхности воды обусловливается действием сил гравитации и поверхностного натяжения и яв­ ляется доминирующим процессом начального периода (примерно 6-10 ч) формирования нефтяного загрязнения.

Испарение легких фракций приводит к уменьшению объема нефти в пленке, снижению воспламеняемости и токсичности, но увеличивает вязкость и плотность остатка.

Растворение нефти в воде, главным образом легких фрак­ ций, протекает с незначительной скоростью, зависящей от состава и физико-химических свойств нефти, толщины пленки, температуры воды и состояния водоема.

Диспергирование заключается в образовании мелких капель нефти вследствие механического перемешивания пленки волнами. Поэтому скорость диспергирования зависит от состояния водо­ ема и свойств нефти.

Эмульгирование представляет собой процесс образования смеси воды и нефти, отличающейся при определенных соотно­ шениях высокой вязкостью и устойчивостью к распаду. Эмуль­ сию типа "вода в нефти” с содержанием воды до 80% по объему называют "шоколадным муссом", весьма характерным для ава­ рийных разливов нефти. Эмульгирование сопровождается уве­ личением первоначального объема в несколько раз.

Углеводороды относятся к достаточно устойчивым к окисле­ нию соединениям. Однако, в контакте с водой в присутствии света процессы окисления заметно активизируются.

Биодеградация обусловливается использованием нефти от­ дельными микроорганизмами в качестве источника углерода и энергии. Скорость биодеградации зависит от свойств нефти, температуры воды и т.п.

Седиментация происходит вследствие увеличения плотности нефти при ее испарении, а также в результате абсорбирования нефти минеральными частицами, содержащимися в воде.

Масштаб загрязнения определяется при прочих равных усло­ виях процессами растекания и испарения.

При попадании на поверхность воды нефть растекается тон­

ким слоем от нескольких сантиметров до мономолекулярной пленки. Начальный период формирования нефтяного пятна опре­ деляется силами гравитации, а последующие стадии - поверх­ ностным натяжением. На различных стадиях растеканию проти­ водействуют силы инерции и вязкого трения, причем инерцион­ ная составляющая преобладает в начальный период растекания. В соответствии с этим процессом растекания условно можно разделить на три последовательные фазы, определяемые взаи­ модействием сил -

I - гравитации и инерции;

II - гравитации и вязкого трения;

III - поверхностного натяжения и вязкого трения. Гравитационная составляющая пропорциональна разности

плотностей воды и нефти, толщине слоя нефти и градиенту толщины. Силы инерции зависят также от плотности воды, тол­ щины пленки и ускорения частиц нефти при растекании.

Сила поверхностного натяжения представляет собой резуль­ тирующую сил поверхностного натяжения на границе воданефть, нефть-воздух и вода-воздух.

Силы трения обусловливаются вязкостью нефти и зависят от ее кинематической вязкости и скорости движения.

Площадь нефтяного зарязнения в различных фазах процесса растекания ориентировочно составляет:

тельность растекания, с; (гш - эквивалентный коэффициент поверхностного натяжения, определяемый как результирующая коэффициентов поверхностного натяжения на границе воданефть, нефть-воздух и вода-воздух, Н/м.

В результате загрязнения воды нефтью изменяются ее физи­ ческие, химические и органолептические свойства, ухудшаю­ щие условия обитания в воде организмов и растительности, затрудняются все виды водопользования. Допустимый уровень загрязненности воды определяется ’’Правилами охраны поверх­ ностных вод от загрязнения сточными водами”, которые уста­ навливают требования к составу и свойствам воды и предельно допустимые концентрации вредных веществ в водоемах раз­ личного назначения (табл. 7.1, 7.2).

Таким образом, практически любая авария подводного неф­

цессе экологических изысканий устанавливают: видовой состав и количественные оценки населяющей водоем ихтиофауны; рас­ положение и границы нерестилищ, кормовых угодий рыб; места водозабора и сброса сточных вод; категорию и назначение данного водоема, а также водоемов, расположенных ниже по течению; площади и характеристики водосбора; физико­ химические показатели качества воды, гидрографию региона и т.д. Данные экологических изысканий используются при выборе створа, профиля и конструкции перехода, способа прокладки и технологии производства земляных работ, конструкции берегоукреплений и т.д.

Выбор створа и профиля перехода является одной из наиболее важных задач на стадии проектирования подводного трубопровода, от правильности решения которой зависит на­ дежность его эксплуатации и экологичность, объем строитель­ но-монтажных работ и их стоимость, технология и организация строительства.

СНиП 2.05-06-85 предписывает учитывать при определении створа и профиля перехода затраты на сооружение, прочность и устойчивость трубопровода, требования по охране природы, гидроморфологические характеристики водоема и их изменения в течение срока эксплуатации подводного перехода. Проекти­ рование перехода осуществляется по материалам изысканий, срок давности которых не превышает двух лет.

Переходы нефте- и продуктопроводов через реки и каналы размещают ниже по течению от мостов, промышленных предприя­ тий, пристаней, речных вокзалов, гидротехнических сооруже­ ний, водозаборов, зон отдыха, а также нерестилищ и мест мас­ сового обитания рыб. Отметим, что данная рекомендация может быть реализована относительно одного (ближайшего к трассе) водозабора или нерестилищ. Аналогичные объекты, расположен­ ные ниже перехода по течению, могут быть при этом экологи­ чески незащищенными. Поэтому, очевидно, экологические изы­ скания должны проводиться с учетом потенциального загряз­ нения при аварии подводного трубопровода и гидрографии ре­ гиона, включая категорийность и назначение водоемов, рас­ положенных ниже по течению.

Место перехода согласовывается с бассейновыми управления­ ми речного флота, органами по регулированию использования и охране вод, охраны рыбных запасов и другими заинтересован­ ными организациями. Представляемые в органы рыбоохраны ма­ териалы должны содержать:

название водоема, привязку створа перехода; сроки и способы проведения строительно-монтажных работ;

рыбохозяйственные характеристики водоемов и их участков в районе перехода;

способы разработки траншей, характеристики механизмов (земснарядов, экскаваторов, трубозаглубитеЛей и т.д.);

расчеты по определению зоны взмучивания в водоеме (рас­