Трубопроводы в районах Крайнего Севера: вызовы и решения
Основные районы добычи нефти и газа в России сосредоточены в северных регионах страны. Всё это ставит компании перед необходимостью вкладываться в создание инфраструктуры, устойчивой к экстремальным климатическим условиям. В полной мере это относится и к трубопроводам. Какие новые технологии и материалы появились на этом рынке? И что нужно делать, что магистраль работала долго? Узнаем ответы у экспертов отрасли.
Очевидно, что строительство и эксплуатация трубопроводов в районах Крайнего Севера сопряжены с рядом серьёзных рисков. Главный из них — это разгерметизация и последующее загрязнение окружающей среды. К подобным негативным последствиям может привести сразу несколько факторов.
«Во-первых, при выборе неправильных марок сталь становится хрупкой при температурах ниже –50 °С, из-за чего на ней образуются трещины. Также повреждение трубопроводов может произойти из-за проседания несущих опор в результате сезонного растепления грунтов при надземной прокладке. Трубы могут деформироваться и в случае подземной прокладки, если их уложили на недостаточной глубине», — перечислил генеральный директор ООО «Мимир Инжиниринг» Никита Бабенко.
Какие же решения предлагают российские компании? Здесь можно выделить два основных направления: улучшение характеристик материалов и внедрение новых технологий строительства трубопроводов.
50 лет не предел для стального трубопровода
В первом случае работа начинается на металлургических комбинатах: внедряются новые марки стали, увеличиваются класс прочности и толщина стенок магистралей. Впрочем, как показало время, материалы, которые использовались в СССР, также доказали свою «живучесть».
«Некоторые трубопроводы, построенные ещё нашими дедами, эксплуатируют до сих пор. Притом, что технологии, которые использовали в те годы, были совершенно другими. К примеру, ветераны АО „Ленгазспецстрой” в 1970‑х ввели в эксплуатацию одну из крупнейших в мире трансконтинентальных систем магистральных газопроводов „Средняя Азия — Центр” протяжённостью более 3000 километров. Спустя почти 50 лет магистраль функционирует.
А современные газопроводы абсолютно точно прослужат дольше. Сегодня на принципиально новый уровень перешли трубные заводы, на изделия наносят полимерные покрытия — это совершенно другие технологии. Сильно выросло качество сварки и сварочных материалов, а также изоляционного покрытия открытых частей трубопровода, деталей и оборудования», — рассказал главный инженер АО «Ленгазспецстрой» Сергей Николаев.
К таким же выводам пришли и учёные Института физико-технических проблем Севера (ИФТПС) СО РАН. Они провели исследование свойств металла магистральных газопроводов после длительного использования в условиях Севера. В результате им не удалось обнаружить видимых коррозионных и деформационных повреждений. То есть эксплуатация в зоне Арктики не оказывает на металл трубы существенного влияния.
При этом речь идёт о базовых марках стали, которые использовали ещё в 70–80‑х гг. прошлого века, отметил в своём выступлении на конференции «Нефтегазовая инфраструктура на многолетне-мёрзлых грунтах» организованной «Газпром нефтью» и Санкт-Петербургским политехническим университетом, сотрудник института Игорь Санников. Исходя из этого, можно предположить, что современные стали с различными добавками покажут себя ещё лучше.
Однако это не означает, что проблем совсем нет. У стальных трубопроводов нашлась своя ахиллесова пята — стыки и соединения. Как отметил ещё один докладчик из ИФТПС СО РАН Николай Голиков, сезонные колебания температур вызывают существенные перенапряжения в отдельных сварных стыках. В зоне риска прежде всего наземные участки магистральных трубопроводов, здесь напряжение в 1,6 раз больше, чем при подземном способе укладки.
Есть и «хорошая» новость: с течением времени негативный эффект не накапливается. Учёные исследовали газопроводы, построенные 40 лет назад, и растягивающее остаточное напряжение осталось практически на первоначальном уровне. Тем не менее зона их действия всё равно остаётся местом зарождения трещин.
ГПАТ: возможности и ограничения
В последнее время всё большую популярность набирают гибкие полимерные армированные трубы. Их главное преимущество — устойчивость к коррозии. Применительно к условиям Крайнего Севера стоит отметить и теплоизоляционные свойства новых материалов.
«ГПАТ изготовлены из полимеров, имеющих более низкий коэффициент теплопроводности, чем сталь, что позволяет уменьшить объём изоляционных материалов. При этом наносить их можно как в процессе укладки (та же скорлупа из ППУ), так и в заводских условиях. Правда, здесь есть ограничение: чем толще слой теплоизоляции, тем короче отрезок трубы, наматываемый на барабан.
Ещё одна интересная технология — интеграция в стенку ГПАТ так называемого кабельного слоя, содержащего греющие проводники, которые создают „термоэкран”, резко снижающий количество и скорость отвода тепла от транспортируемого продукта. Однако это требует наличия источника электрической энергии, систем управления и соединительных элементов.
Тело трубы при этом становится тяжелее, что может позволить отказаться от необходимости применения балластировочных элементов при прокладке через водные преграды и болота. Однако, как и в случае с теплоизоляцией, отрезки на барабанах будут короче», — рассказал рассказывает заведующий испытательной лабораторией ООО «Энергомаш-ВТС» Сергей Голышев.
В «Мимир Инжиниринг» оптимальной для условий Крайнего Севера считают конфигурацию ГПАТ с эффективной заводской ППУ-изоляцией и системами электрообогрева.
«При разработке решений для месторождений Крайнего Севера мы делаем акцент на гидравлических и теплотехнических расчётах, учитывающих параметры как трубопровода, так и окружающей среды, его эффективной теплоизоляции и гидроизоляции, применении систем электрообогрева с использованием автоматизированных систем управления», — отметил Никита Бабенко.
Веским преимуществом является и большое количество областей применения ПАТ. Это выкидные нефтесборные сети, системы поддержания пластового давления, межпромысловые нефтепроводы и трубы товарной нефти, временные трубопроводы для проведения ремонтных работ, разведочного бурения и разработки малодебитных скважин.
Ещё несколько лет назад в качестве главных барьеров для гибких полимерных труб называли отсутствие нормативной базы, малый опыт эксплуатации и проектирования. Однако в конце 2024 года можно говорить, что большинство сложностей остались позади. Так, уже приняты ГОСТ и Свод правил, регламентирующих требования к проектированию трубопроводов из ГПАТ. Практически все нефтяные компании уже попробовали гибкие полимерные трубы, и, как отмечают представители отрасли, отзывы в основном комплиментарные.
Впрочем, говорить о том, что ГПАТ скоро вытеснят металлические аналоги, явно преждевременно. Даже сами производители гибкой полимерной трубы подчёркивают, что это не панацея, а ещё один инструмент, который тоже имеет свои ограничения.
«Полимерные трубы на данный момент дополняют, но не заменяют стальные. Но доля их год от года растёт. Я считаю, что у традиционных трубопроводов есть хороший потенциал повышения эксплуатационных свойств за счёт применения новых марок стали с повышенной низкотемпературной стойкостью и внедрения новых антикоррозионных покрытий и технологий сварки.
А ГПАТ в ближайшие годы продолжит забирать на себя нишу промысловых и межпромысловых трубопроводов, но не заменит сталь на магистральных трубопроводах», — высказал мнение Никита Бабенко.
Сергей Голышев отметил, что хотя конструктивные особенности гибких труб позволяют повысить их эффективность, но в то же время они накладывают дополнительные требования и ограничения.
«При низких температурах от –15 до –40 °C укладка ГПАТ требует предварительного прогрева из-за снижения пластических свойств материала. Температура стенок трубы должна быть выше 0 °C. При этом прерывать работу по размотке до полной укладки плети из бухты не рекомендуется. Подогрев труб до требуемой температуры осуществляется путем пропуска горячего воздуха через находящийся на барабане трубопровод или подогрева в тепловом кожухе (палатке).
Кроме этого, ГПАТ обладает податливостью ввиду низкой продольной и кольцевой жёсткости, в сравнении со стальной трубой. Поэтому в ГОСТ Р 70623–2023 прописано, что для уменьшения воздействия морозного пучения на трубопроводы или на их опоры следует предусмотреть замену и техническую мелиорацию грунтов.
Трубопроводы нужно прокладывать с учётом ожидаемых деформаций, для их устойчивости применять специальные протипопучинистые устройства», — рассказал заведующий испытательной лабораторией ООО «Энергомаш-ВТС».
В свою очередь, Сергей Николаев считает, что, используя новые материалы в условиях Крайнего Севера, не стоит спешить, нужны серьёзные научно-исследовательские работы.
«Вопрос не только в самих полимерах, но и в арматуре и сопутствующем оборудовании. Здесь нужна большая работа вместе с НИИ, производителями полимерных труб, отводов, тройников, фланцев, запорных кранов, арматуры и другого)», — отметил главный инженер АО «Ленгазспецстрой».
Как строить в условиях вечной мерзлоты?
Новые технологии активно внедряют и на стадии возведения трубопроводов.
«Как правило, в условиях вечной мерзлоты построить траншею обычным экскаватором невозможно. Для этого предварительно проводят буровзрывные работы. Этим занимаются специализированные компании. До необходимой формы и глубины траншею доводят уже экскаватором, а после выполняют дальнейший цикл работ», — привёл пример Сергей Николаев.
Свои сложности есть и при проведении сварки при низких температурах и сильных ветрах. Чтобы получить качественный шов, применяют предварительный подогрев. Важно, чтобы сварные соединения не остывали во время проведения работ. Тщательно подходят и к подбору материалов.
Ещё одна адаптация к условиям вечной мерзлоты при строительстве магистралей — это скальный лист, который выступает в роли защитного кожуха и не допускает пробоев изоляции трубопровода.
«Он устраняет возможный контакт между острыми частями разработанной траншеи (льда, грунта) и соприкосновения изоляционного покрытия. Кроме того, необходима защита трубопровода от размерзания грунта. Температура земли одна, у магистрали в процессе эксплуатации другая, и, чтобы избежать растепления тундры, используются изоляционные материалы», — рассказал Сергей Николаев.
Требования, отличающиеся от районов средней полосы, предъявляются и к фундаментам. В криолитозоне используют свайные поля.
«Это необходимо для того, чтобы не происходило проседания при оттаивании грунта. Металлические сваи защищают от сил морозного пучения: их нижнюю часть покрывают антикоррозийным составом, а верхнюю — несколькими слоями геотекстиля, пропитанного спецсредствами, и обматывают пленкой.
Кроме этого, для предотвращения деформаций и сильных механических нагрузок трубопроводов, используют компенсаторы. Это специальные конструктивные элементы, которые передают напряжение от трубы на несущую конструкцию и тем самым позволяют удерживать трубопровод в проектном положении», — объяснил Сергей Николаев.
Нельзя забывать, что условия Арктики — это серьёзный стресс не только для «железа», но и для людей. Чтобы сотрудники могли эффективно трудиться, для них важно создать комфортные условия, убеждены в «Ленгазспецстрое».
«Близость к Крайнему Северу — это изменение магнитных полей, удлинённая полярная ночь, активное ультрафиолетовое излучение, нехватка кислорода и витаминов. То есть это та зона, где жизнь человека находится в экстремальных условиях. По рассказам ветеранов нашей компании, которые в советские годы осваивали северные территории, работа в тех краях требовала колоссальных усилий, особенно физических.
Вокруг депрессивное состояние, практически всегда темно, плохая погода, очень холодно. Люди по 12 часов зачастую проводят на открытом воздухе, притом что по технологии они не могут прерываться: по некоторым видам работ разрыв невозможен. Поэтому очень важно обеспечить людей комфортными условиями труда и отдыха. Для этого мы используем так называемые теплушки — вагончики для обогрева, сменяем людей, чтобы использовался непрерывный цикл работ.
Обеспечиваем полноценное питание, чтобы были фрукты, овощи, все необходимые элементы, которые позволяют поддерживать физиологически здоровое состояние организма. Важны и социально-бытовые условия, культурные мероприятия, зоны отдыха, где работники могут пообщаться в свободное время, поиграть в настольные игры, позаниматься спортом», — прокомментировал политику компании Сергей Николаев.
Итак, несмотря на всю суровость Крайнего Севера, современные технологии позволяют строить трубопроводы, которые верой и правдой будут служить десятки лет. Главное — соблюдение правил и контроль качества на всех этапах.
«На сегодняшний день основной критерий для повышения эксплуатационных свойств магистралей и их безаварийной работы — это качественные проектно-изыскательские работы, материалы и сырьё, которые поступают в зону строительства. Они должны соответствовать всем нормативным требованиям и техническим условиям на изготовление.
Второе условие — это, конечно же, соблюдение технологий выполнения работ, корректное применение материалов, соответствующих их назначению, зон эксплуатации. Всё это приводит к долгосрочной работе трубопровода.
Таким образом, надёжность будущей магистрали во многом зависит от слаженной работы проектных институтов, поставщиков оборудования и материалов, а также строителей. Благодаря такому симбиозу обеспечится бесперебойная работа трубопроводов на долгие годы», — резюмировал Сергей Николаев.
Слово экспертам
Сергей Николаев, главный инженер АО «Ленгазспецстрой»
«Если говорить о вызовах, которые стоят перед нами при строительстве трубопроводов в районах Крайнего Севера, то это, естественно, климатические условия: крайне низкие температуры, метели и очень короткий временной этап строительства. В летний период невозможно строить: тундра начинает расходиться, поверхность льдов тает, и фактически там возникают сплошные озера. Также нужно учитывать режим актированных дней.
Это период времени, когда температуры опускаются ниже 40 градусов по Цельсию. В такие дни запрещены некоторые виды работ, чтобы сберечь здоровье людей, сохранить механизмы и технику. Как правило, этот режим длится недолго, но он обязательно учитывается в графике».
Никита Бабенко, генеральный директор ООО «Мимир Инжиниринг»
«Сегодня инфраструктура трубопроводов в районах Крайнего Севера стремится к гибридности — применению стали и полимеров. У каждого материала есть своя зона эффективного применения. Поэтому продлить срок использования трубопроводов можно за счёт общего повышения эксплуатационных свойств всех его элементов. Также важно предвосхищать возникновение аварийных ситуаций. Для чего нужно развивать системы диагностики и интерпретации данных».
Сергей Голышев, заведующий испытательной лабораторией ООО «Энергомаш-ВТС»
«Гибкие полимерные трубы могут использоваться не везде, у них есть ограничения по внутреннему диаметру, давлению и температурам. Но в некоторых условиях, в частности в агрессивных средах, замена стальных труб на ГПАТ позволит повысить ресурс и снизить затраты на эксплуатацию».
Текст: Андрей Халбашкеев
