Безопасность нефтегазовой инфраструктуры России критически зависит от устойчивости оснований резервуаров. Ежегодно десятки аварий происходят из-за просадки глинистых грунтов, занимающих до 50% территории страны, которые под нагрузкой необратимо деформируются. Ученые Пермского Политеха разработали решение, позволяющее с точностью более 99% прогнозировать просадку на весь срок службы объекта, используя единственный параметр — показатель текучести глины. Этот подход позволяет не просто реагировать на последствия, а заранее предотвращать угрозу, обеспечивая как экономическую эффективность, так и экологическую безопасность для миллионов людей.
Статья опубликована в журнале «Вестник МГСУ». Том 20, №8.
В России насчитывается несколько десятков крупных нефтеперерабатывающих заводов и тысячи объектов хранения нефтепродуктов, без которых невозможна работа нефтегазовой отрасли, а также АЗС по всей стране. Поэтому проблема безопасности таких комплексов стоит крайне остро. Ежегодно в стране происходят десятки аварий на нефтехранилищах из-за постепенной просадки грунта. Это происходит из-за того, что резервуары для хранения в основном размещены на глинистых почвах (занимают 40–50% от площади всей страны), обладающих опасным свойством: под нагрузкой они сжимаются подобно пластилину и не восстанавливают первоначальную форму.
Каждый цикл наполнения и опорожнения резервуара вызывает необратимую деформацию несущего слоя земли, а за несколько лет эксплуатации таких циклов набирается до 2000. Следовательно, постепенное накопление микродеформаций приводит к перекосам сооружения, трещинам в конструкциях и, в конечном счете, к авариям с серьезными экологическими и экономическими последствиями.
Современные методы укрепления почв — щебеночные подушки, частичная замена и их уплотнение — не решают проблему полностью, поскольку не учитывают эффект длительного воздействия емкостей на грунтовые основания. Существующие расчеты ориентированы на их первоначальные свойства, игнорируя постепенное изнашивание. Особенно критична эта ситуация для слабых водонасыщенных глин, где даже усиленное основание земли продолжает неуклонно деформироваться под воздействием тысяч повторяющихся нагрузок.
Ученые Пермского Политеха провели детальный анализ поведения водонасыщенных почв под циклическим воздействием и разработали уникальную методику, позволяющую точно предсказать, как гигантские емкости с нефтью будут «проседать» в таком грунте еще до начала строительства.
Для проведения исследования ученые отобрали образцы аллювиальных отложений — грунтов, сформированных в результате деятельности рек, поскольку многие крупные нефтехранилища, нефтеперерабатывающие заводы и трубопроводы размещаются именно вблизи водных артерий, где преобладают такие типы оснований. Образцы подготовили в трех различных состояниях, соответствующих разным стадиям изменения грунта: относительно плотную мягкопластичную глину, менее устойчивую текучепластичную и наиболее проблемную жидкую консистенцию.
— Мы испытали эти пробы в одометре — приборе, создающем давление, как от реального резервуара. После каждого цикла «нагрузка-разгрузка» основание возвращало форму не полностью, образуя постоянное изменение структуры. За 10 циклов проявилась тревожная закономерность: с каждой новой нагрузкой способность основания к восстановлению снижалась, а необратимые деформации накапливались. Это напоминает усталость металла: после многократных изгибов он ломается. Так и грунт со временем «устаёт», теряя свои несущие свойства, — объяснила Евгения Акбулякова, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника», кандидат технических наук.
Используя эти лабораторные данные ученые создали цифровую модель нефтяного резервуара объемом 3000 м³ в геотехническом комплексе PLAXIS 2D — это специализированная программа для расчета взаимодействия оснований (грунта) и конструкций. Ключевым достижением является то, что они впервые вывели простые и точные формулы, связывающие свойств грунта с величиной его осадки.
— Мы получили две формулы. Первая, основанная на данных лабораторных испытаний, описывает, как деформируется сам образец грунта. Вторая, выведенная из результатов компьютерного моделирования всего резервуара, прогнозирует осадку всего сооружения. Обе формулы имеют высокую точность, описывая более 99% всех возможных случаев, и используют всего один легко определяемый параметр — показатель текучести глины. По сути, зная только его, мы можем с высокой долей уверенности спрогнозировать, как почва поведет себя под давлением резервуара», — отметила Евгения Акбулякова.
Главное отличие подхода ученых от стандартных расчетов заключается в этой глубокой калибровке виртуальной модели по реальным экспериментальным данным. Вместо использования усредненных параметров, исследователи «обучили» программу, подобрав уникальные коэффициенты, точно описывающие поведение каждого конкретного типа глины. Это позволило смоделировать 20 полных циклов заполнения и опорожнения резервуара и проанализировать кумулятивный эффект.
— Исследование показало, что наиболее интенсивная просадка оснований происходит в первые 7-9 циклов нагрузки, когда формируется до 93% необратимой деформации — грунт сжимается и не восстанавливает форму. После этого количества циклов характер деформации меняется: он начинает работать преимущественно как пружина, восстанавливаясь после разгрузки, однако каждый новый цикл наполнения резервуара продолжает медленно увеличивать общую осадку, добавляя миллиметры к деформации почвы, — прокомментировала Евгения Акбулякова.
Такой подход дал возможность прогнозировать долгосрочное поведение основания и развитие опасных осадок на весь срок службы, что было недостижимо при традиционных расчетах, учитывающих лишь первоначальные свойства без учета «усталости» от циклических нагрузок.
— Мы также смогли точно измерить риск просадки грунта. Оказалось, что за первые 10 циклов наполнения и опустошения резервуара основание проседает дополнительно на 10% от всей ожидаемой осадки. А когда смоделировали 20, то цифра оказалась меньше — 2,4–4,1%. Это объясняется тем, что в реальности большой массив почвы работает как единая система: она упругая и гасит нагрузку лучше, чем маленький образец в лабораторных условиях, — пояснила ученая.
Особую тревогу вызывают расчеты для слабых водонасыщенных глин — здесь осадка может превысить допустимые нормы безопасности. Это означает, что при строительстве на таких основаниях необходимо предусматривать специальные мероприятия: замену слабого грунта, устройство щебеночных подушек или армирование геосинтетическими материалами (усиление специальными полимерными сетками или тканями).
Разработанная методика ученых ПНИПУ открывает возможность прогнозировать осадку грунтов под резервуарами на весь срок их службы. Это позволяет нефтекомпаниям не переплачивать за избыточное укрепление оснований там, где в этом нет необходимости, и одновременно гарантирует безопасность для населения и окружающей среды, предотвращая аварии с разливами нефтепродуктов.
