Глава 4. Повышение сейсмостойкости трубопроводов

4.1. Оценка "инженерного риска" применительно к магистральным трубопроводам

(ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ)

Требования сейсмостойкости трубопроводов обусловлены прежде всего необходимостью обеспечения эксплуатации основ­ных конструкций трубопроводных систем во время землетря­сения и в течение определенного последующего периода без проведения каких-либо крупных ремонтных работ. Определив сейсмические нагрузки, практически всегда можно создать конструкцию, способную без всяких повреждений выдерживать сильные землетрясения, но стоимость таких конструкций может быть весьма велика. В связи с этим необходимо найти некото­рые оптимальные решения, обеспечивающие определенный уро­вень сейсмостойкости трубопроводов, что позволит осуществ­лять их эксплуатацию в аварийных ситуациях и будет препятст­вовать появлению тех или иных повреждений.

По-видимому, можно допускать в конструкциях трубопрово­дов при сейсмических воздействиях некоторые остаточные де­формации или смещения самого трубопровода, деформации эле­ментов опор, образование трещин в теле бетонных и железобе- , тонных фундаментов и т.д. Но при этих повреждениях не должна прекращаться эксплуатация трубопровода.

Как и при оценке надежности любых конструкций, здесь возникает и другой вопрос: что экономически целесообраз­нее - заранее усилить конструкции трубопровода или нести по­том (может быть) определенные затраты на восстановление, компенсировать из резерва недопоставленный продукт, время простоя предприятия и т.д.? Таким образом, ставится еще одна задача — определить допустимый уровень повреждений трубо­проводов с учетом затрат на проведение ремонтно-восстанови-тельных работ и компенсационных затрат. И все это - при не_:определенности возникновения в этом районе землетрясения в период срока службы сооружения, при отсутствии увереннос­ти в том, что землетрясение будет иметь определенную силу и эпицентр его будет находиться достаточно близко от данного трубопровода. В этом случае даже задача о надежности сооруже­ния с чисто экономической ответственностью будет решаться в условиях значительной неопределенности исходных факторов.

В опубликованных в последние годы материалах, в том числе в СНиП П-7-81, приводятся данные о повторяемости землетрясе­ний определенной силы для различных районов, некоторые количественные оценки, коэффициенты для введения в рас­четные формулы с целью увеличения расчетных сейсмических нагрузок и повышения, таким образом, сейсмостойкости кон­струкции. Однако и эти сведения полностью не устраивают име­ющиеся неопределенности.

По-разному должен решаться и вопрос обеспечения степени надежности различных трубопроводов. Если при расчете некото­рых местных трубопроводных сетей, при повреждении которых не возникнут пожары, не прекратится снабжение газом, водой и пр. районов, пострадавших от землетрясения, следует приме­нять сравнительно невысокие значения коэффициентов запаса, то для жизненно важных трубопроводов и трубопроводных сетей эти коэффициенты должны быть достаточно большими. Как известно, разрушение и прекращение эксплуатации систем жизнеобеспечения (в том числе водопроводов) в Сан-Фернан­до в 1971 г. или в Мехико в 1985 г. привели к тяжелым послед­ствиям. Из-за повреждений водопроводной сети было затрудне­но тушение пожаров, многие из которых возникли из-за разры­вов трубопроводов.

Весь круг рассмотренных задач объединяется в единую проб­лему, называемую проблемой "инженерного риска" в сейсми­ческом строительстве. Исследованию этой проблемы в послед­ние годы посвящен ряд работ в СССР (В.В. Болотин, И.П. Голь-денблат, СВ. Поляков, Ш.Г. Напетваридзе), США (Дж. Уиг-гинс, О'Коннер, Р.В. Уитмен, С.А. Корнелл) и других странах [5, 12, 16,21].

В ряде работ американских специалистов (Дж. Уиггинс и др.) выдвигается принцип так называемого сбалансированного риска, эквивалентного понятию "инженерный риск", основан­ного на сопоставлении возможного риска гибели людей в резуль­тате землетрясения с риском гибели людей при автомобильных катастрофах, вследствие несчастных случаев на производстве, в общественных местах и дома, т.е. со всеми видами риска, которому каждый из нас подвергается ежедневно и уровень которого достаточно постоянен.

Применительно к трубопроводам можно утверждать: чем больше протяженность трубопровода, проходящего в сейсми­ческом районе, чем больший срок службы этого трубопровода,

тем большая вероятность того, что сильное землетрясение мо­жет произойти достаточно близко от трассы и вызвать разруше­ния, т.е. вероятность риска повреждений или разрушений трубо­проводов возрастает. При этом уровень сейсмостойкости трубо­провода должен быть таким, чтобы число повреждений на трубо­проводе за период его эксплуатации не превышало возможного количества повреждений на рассматриваемом участке за время нормальной эксплуатации

Необходимо отметить, что объекты водопровода, канализа­ции и энергоснабжения (независимо от числа работающих вбли­зи этих объектов) во многих случаях должны быть отнесены к категории наиболее ответственных сооружений, т.е. должны быть приравнены к театрам и другим общественным зданиям, больницам и т.п., где среднее ежедневное пребывание людей, подвергающихся риску, составляет 1000 человек и более. Это положение принималось нами во внимание при составлении таб­лицы эвристических оценок капитальности (ответственности) трубопроводов, данные которой следует учитывать при опреде­лении расчетной балльности

Для оценки общего риска повреждений трубопровода и осу­ществления на основании полученных данных оптимизации не­обходимы следующие сведения:

а) стоимость дополнительных ниток, перемычек и т.д., повы­шающих надежность обеспечения водой, газом и другими про­дуктами отдельных предприятий или целых районов

б) стоимость ремонтно-восстановительных работ как самих трубопроводов, так и связанных с ними объектов, которые мог­ли быть повреждены в результате землетрясения или из-за вто­ричных причин взрыва или пожара, вызванных землетрясением;

в) убытки в результате простоя предприятий из-за недоподачи сырья, вследствие пожаров'; тушение которых было за­труднено из-за отсутствия воды и т.п. >

При наличии дублирующих трубопроводных линий, если ис­ключена возможность их одновременного повреждения, могут либо уменьшиться, Либо вовсе исключиться простои предприя­тий из-за неподачи воды, газа, сырья и т.д. Однако, если эти тру­бопроводы находятся на той же самой площадке и все ориенти­рованы в пространстве одинаково, то вероятность поврежде­ния всей группы трубопроводов одновременно весьма велика. Трубопроводные системы следует проектировать таким обра­зом, чтобы вероятности выхода из строя любого элемента систе­мы трубопровода, насосной или компрессорной станции были сопоставимы.

Оценка сейсмического риска для каждого элемента системы должна рассматриваться отдельно на основе критериальных оце­нок, свойственных для этого элемента. При анализе работы сис­тем "трубопровод — грунт" и "трубопровод — опора — грунт" в качестве случайных можно рассматривать физико-механичес­кие характеристики грунтов, прочностные и деформационные характеристики трубопровода и опорных конструкций, а также величины и распределение внешних воздействий. В действующих нормативных документах указанные характеристики конструк­ций, статические нагрузки и воздействия рассматриваются как детерминированные, а возможные изменения учитываются, как правило, по максимуму с помощью коэффициентов усло­вий работы и перегрузки.

В настоящее время весьма широко проводятся исследования с целью создания вероятностной методики расчета трубопрово­дов на статические воздействия.. В дальнейшем в. качестве слу­чайных нами приняты кинематические элементы колебаний час­тиц грунта (перемещение, скорость, ускорение), для которых известны плотности распределения вероятностей и соответствую­щие интегральные распределения. При построении распределений следует использовать максимальные во времени значения ука­занных кинематических параметров.

Учет сейсмических воздействий рекомендуется производить, используя метод суперпозиции, т.е. путем добавления сейсми­ческих напряжений к напряжениям, вызванным действием ста­тических нагрузок (хотя условность такого подхода в случае возникновения пластических деформаций в трубопроводе оче­видна) .

/При оценке конкретных потерь в денежном выражении из-за возможных аварий следует рассматривать следующие два типа аварий.

Тип I. Разрушение протяженных участков, требующих демон­тажа старой линии и строительства новой. Общая стоимость вос­становления участка будет равна стоимости участка единичной длины, умноженной на" протяженность перестраиваемого участ­ка. В общую величину потерь будут входить стоимость потерь транспортируемого продукта (зависит от объема подачи продук­та и времени до отключения поврежденного участка) и потери от простоя трубопровода (зависят также от подачи, времени простоя трубопровода и стоимости резервного запаса продукта, в том числе воды, доставляемого другим путем, наличия дубли­рующей трубопроводной сети и т.д.).

Тип И. Ремонт при отсутствии разрывов трубопровода и де­формаций отдельных участков, стоимость которого определяет^ ся как некоторый процент от полной стоимости ремонтируемо­го участка. В общую величину потерь могут входить и потери от простоя трубопровода (см. тип I).

Как указывалось, далеко не все трубопроводы можно рас­сматривать как объекты с чисто экономической ответственно­стью. В связи с этим было предложено вводить повышающие коэффициенты при определении расчетной балльности, ускоре­ния и смещения в зависимости от значимости трубопровода, которые повысили бы гарантию безаварийной работы системы (табл. 4.1). Такой способ повышения сейсмостойкости трубо­проводов из-за отсутствия общепризнанного и апробированного аналитического рекомендован в частности в главе СНиП 2.05. 06-85 и ВСН 2-137-81 [10].

Трубопроводы, включенные в табл. 4.1 во вторую и третью группу, при соответствующем обосновании в определенных случаях можно рекомендовать рассчитывать как объекты с чис­то экономической ответственностью. Что же касается трубопроводов, относящихся к категории систем жизнеобеспечения, обеспечивающих функционирование ответственных объектов (например, водоводов, подающих воду к энергетическим бло­кам атомных станций), эксплуатация которых не должна прек­ращаться во время землетрясений (группа 1, табл. 4.1). то пере­чень их должен специально утверждаться Госстроями республик или соответствующими министерствами и ведомствами. Соглас­но предлагаемой методике (СНиП 2.05.06-85), для получения расчетных значений сейсмических ускорений или других пара­метров сейсмических воздействий, определенных в соответствии с требованиями СНиП П-7-81 или с помощью инструментальных методов, тот или иной параметр сейсмического воздействия сле­дует умножить на коэффициент К₀.

Таблица 4.1. Значения коэффициента К , учитывающего ответственность трубопровода

Значение К₀

Характеристика трубопровода

. Газопроводы, рассчитанные на рабочее давление 2,5- 10,0 МПа включительно; проводы и нефте­провода при условном диаметре 1000-1200 мм. Газопроводы (независимо от рабочего давления), а также нефтепроводы, нефтепродуктопроводы и водоводы любого диаметра, обеспечивающего функционирование особо ответственных объектов. Переходы магистрадьных трубопроводов через водные преграды с шириной по зеркалу воды в межень 25 м и более

1,2

Газопроводы, рассчитанные на рабочее давление 1,2^-2,5 МПа; нефтепроводы и нефтепродукто­проводы при условном диаметре 500-800 мм; магистральные водоводы диаметром более 500мм

1,0

Газопроводы, рассчитанные на рабочее давление ниже 1,2 МПа, и нефтепровода? при условном диаметре 500 мм; магистральные водоводы, водопроводные сети, канализационные сети