Научный руководитель: Жиров А.И.
Для анализа влияния геоморфологических условий на уровень аварийности магистральных трубопроводов использовалась база данных из Национальной системы картографирования трубопроводов США. Природные условия северных штатов США (Вашингтона, Орегона, Айдахо и Миннесоты) можно считать схожими с такими же условиями для трубопроводов на российской территории. Был проведен анализ геоморфологических факторов риска и использовались шесть геотопологических параметров и три связанных с ними показателя, предложенные А.Н. Ласточкиным в своей системно-морфологической концепции: 1) высота, 2) относительная высота, 3) крутизна, 4) вертикальная кривизна 5) горизонтальная кривизна, 6) экспозиция склона, 7) близость к структурной линии, 8) тип элементарной грани земной поверхности и 9) ее длина.
Выявление роли отдельных геоморфологических и геотопологических параметров в аварийности трубопроводов приведет к более безопасному и экологически рациональному функционированию сети трубопроводов.
Объект исследования: нефте- и газопроводы северных штатов США.
Предмет исследования: природная аварийность трубопроводов в связи с их приуроченностью к разным типам элементарных поверхностей.
Цель – установить зависимость распределения природных аварий на трубопроводах от показателей геотопологических параметров разных типов элементарных поверхностей.
Точки были перенесены на топокарты ESRI с целью изучения распределения аварий по различным геотопологическим показателям (рис. 1). Производились картометрические измерения, все результаты заносились в электронную базу в программе Excel.
Были проанализированы аварии (2002-2018 гг.), причины которых указаны в официальной статистике: природные факторы, коррозия, дефекты труб и оборудования и др. Использовались статистические методы обработки информации. Общее число аварий, где имел место природный фактор для трубопроводов севера США составило 35,48 %.
Было принято решение провести геоморфологический анализ аварий с участием природного фактора, используя каталог топографических карт США, проводя картометрические измерения, а также прибегая к данным космических съемок.
Анализ распределения природообусловленной аварийности
по геоморфологическим характеристикам
Распределение аварий по абсолютным
высотам.
В Миннесоте значительную часть занимают равнины, в остальных штатах – горы. Трубопроводы редко проводят на больших высотах: даже в горах они протягиваются вдоль долин, изредка пересекая относительно пологие перевалы.
Большая часть аварий приходится на высоты от 250 до 500 м и много аварий – на участках с меньшими высотами, что обуславливается большим количеством трубопроводов.
Распределение аварий по относительным
высотам.
Трубопроводы проложены большей частью на горизонтальных поверхностях и пологих склонах с превышением не более 20 метров. Поэтому на эти участки приходится основная доля аварий (рис. 3). На склонах с относительной высотой от 20 до 115 м возрастает напряжение в теле трубы, резко возрастает скорость и объем перемещаемых вниз по склону вещества и влаги. Это приводит к деформациям трубопровода, усилению коррозии и стресс-коррозии в местах перегиба трубы.
Рис. 1. Карта аварий на трубопроводах (2002-2018 гг.)
Рис. 2. Распределение природообусловленных аварий по абсолютным высотам
Рис. 3. Распределение природообусловленных аварий по относительным высотам
Распределение аварий по уклонам.
Большое количество аварий на практически горизонтальных поверхностях обусловлено тем, что трассы трубопроводов проводят обычно на самых выровненных поверхностях. Основные опасности, подстерегающие трубы – это повышенное увлажнение.
Распределение аварий по вертикальной
кривизне.
Для сравнения распределения аварий по вертикальной кривизне были рассчитаны её значения как отношение длины верхней половины склона к длине нижней половины склона.
Большинство аварий приурочено к прямолинейным в профиле склонам. Перегибы склона оказывают негативный эффект на функционирование трубопроводов.
Распределений аварий по горизонтальной
кривизне.
На прямолинейные в плане склоны приходится наибольшая доля аварий. Аварии на сильновогнутых склонах связаны с концентрацией стока на их поверхности. Такие склоны хуже освещаются и прогреваются [2], более влажные и подвержены развитию линейной эрозии [1]. При отсутствии прямых склонов приоритет отдается строительству на выпуклых склонах (т.к. являются более устойчивыми с позиции инженерной геологии).
Распределение аварий по склонам различной экспозиции.
Превалирование аварий на склонах западных экспозиций объясняется тем, что в Вашингтоне, Орегоне и Айдахо преобладают ветра этого направления. Достаточное количество аварийности восточных направлений дают данные штата Миннесоты, который отличается от остальных географическим положением и условиями. Повышенная влажность и меньшая теплообеспеченность склонов приводят к усилению коррозии.
Распределение аварий по типам элементарных поверхностей.
Наибольшее количество аварий отмечено на площадках, (именно по ним чаще всего проходят трассы трубопроводов). Наблюдается повышенная аварийность на вдольгребневых поверхностях, уступах и подножьях, что объясняется большей относительной крутизной и развитием склоновых и эрозионных процессов. Линейной эрозии, высокая аккумуляция вещества и влажность грунта обуславливают аварии на вдолькилевых поверхностях.
Рис. 4. Распределение природообусловленных аварий по склонам различной крутизны
Рис. 5. Распределение аварий по склонам с разной вертикальной кривизной
(К < 1 – вогнутые в профиле склоны; К = 1 – прямые склоны; К > 1 – выпуклые в профиле склоны)
Рис. 6. Распределение природообусловленных аварий по горизонтальной кривизне
(К < 1 – вогнутые в профиле склоны; К = 1 – прямые склоны; К > 1 – выпуклые в профиле склоны)
Рис. 7. Распределение природообусловленных аварий по типам элементарных поверхностей
Рис. 9. Распределение природообусловленных аварий по близости к структурным линиям
Распределение аварий по близости к структурным линиям.
При удалённости аварий от структурных линий 0-50 м максимальное количество приурочено к линиям вогнутых перегибов и килевым линиям. Это геоморфологические границы с максимальной линейная эрозия, аккумуляцией вещества и влажностью грунтов.
Хорошо прослеживается зависимость от удалённости аварий от структурной линии: максимальное количество аварий отмечено при малых расстояниях от структурной линии (0-50 м), при расстоянии 50-100 метров количество аварий уменьшается, 100-200 метров – количество аварий наименьшее. Аварии, которые расположены от структурной линии более чем на 200 метров, обусловлены другими природными или антропогенными факторами.
Заключение
В результате были сделаны следующие
выводы:
– сильное влияние на аварийность оказывает крутизна склонов; тип элементарных поверхностей и экспозиция оказывают меньшее, но существенное влияние;
– были выявлены существенные корреляции между зарегистрированными авариями и определенными геоморфологическими условиями. Области с высокой горизонтальной и/или вертикальной кривизной поверхности, а также те, которые расположены близко (менее 50 м) к линиям выпуклых, вогнутых изгибов поверхности Земли и тальвегов, являются потенциально наиболее опасными. Это связано с более интенсивными литодинамическими процессами в указанных местах;
– изначально при проектировании прокладки трубопроводов по возможности выбираются наиболее выравненные и безопасные участки, что даёт весьма ограниченные значения статистических данных (то есть суммарная длина трубопроводов на выровненных, прямолинейных в плане и в профиле поверхностях, значительно больше, чем на крутых склонах – большинство аварий произошло в местах с ординарными, а не экстремальными значениями геоморфологических параметров);
– важна не столько статистика приуроченности аварий к определенным элементам рельефа, сколько расчет отклонений аварийности в соответствии с долей протяженности трубопроводов в пределах элементарных поверхностей; тогда отклонение от общего распределения покажет аномальное влияние какого-либо геоморфологического параметра.