К вопросу о качестве работы сезонно-действующих охлаждающих устройств

Сложные инженерно-геологические, климатические, гидрологические и экологические условия обусловливают повышенные требования к изысканиям и проектированию зданий и сооружений в криолитозоне [7]. К сожалению, все это не всегда в полной мере учитывается, а возможное глобальное потепление климата лишь осложняет ситуацию.

По данным метеостанции «Салехард» фактическая средняя годовая температура в 2002 – 2012 гг. превосходила нормативную (табл. 1, рис. 1). Многолетний ход температуры поверхности грунта во многом повторяет эту динамику. Для среднемесячного количества осадков и высоты снежного покрова в 2002 – 2014 гг. в целом также наблюдался тренд к постепенному увеличению (рис. 2, 3). Все это способствует повышению температуры грунтов, деградации вечной мерзлоты и приводит к дополнительным осложнениям при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений в условиях криолитозоны.

Таблица 1. Сравнение фактической и нормативной средней годовой температуры воздуха за 2002 – 2012 гг. (по данным метеостанции «Салехард»)

Рис. 1. Сравнение фактической (январь 2002 г. – март 2013 г.) и нормативной температур воздуха по данным Ямало-Ненецкого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды для метеостанции «Салехард»

Рис. 2. Количество осадков за апрель – октябрь, мм, в 2002 – 2013 гг. по данным Ямало-Ненецкого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды для метеостанции «Салехард»

Рис. 3. Количество осадков за ноябрь – март, мм, в 2002 – 2013 гг. по данным Ямало-Ненецкого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды для метеостанции «Салехард»

Для особо сложных и ответственных объектов в соответствии с действующим законодательством на протяжении всего их жизненного цикла необходимо проводить геотехнический мониторинг, в том числе контролировать работу систем термостабилизации грунтов оснований, причем с учетом изменений природно-климатических факторов. Однако существующая на сегодняшний день нормативная база не обеспечивает достаточный уровень безопасности нефтегазопромысловых объектов и других инженерных сооружений в криолитозоне [4]. В частности, климатические параметры, отраженные в нормативных документах, существенно отличаются от фактических [4].

Многолетнемерзлые грунты (ММГ) занимают более 60% территории России. Их чрезвычайное разнообразие и ранимость приводят к значительным трудностям при их использовании в качестве оснований. Поэтому к техногенным воздействиям на них следует относиться очень внимательно на всех стадиях жизненного цикла зданий и сооружений [7]. Обустройство нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений, строительство зданий и дорог на многолетнемерзлых грунтах требуют принятия оптимальных технических и проектных решений во избежание аварий и катастроф, приводящих к огромным материальным и финансовым потерям (табл. 2, рис. 4).

При проектировании и строительстве зданий и сооружений в криолитозоне используются грунты основания в мерзлом состоянии (по первому принципу строительства на ММГ). Для этого широко используются системы термостабилизации грунтов оснований (ТСГ). Наиболее распространены сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ), которые нашли широкое применение как в России, так и за рубежом (рис. 5).

Таблица 2. Характер и причины разрушений на некоторых обследованных объектах в криолитозоне

Рис. 4. Примеры некоторых аварий в криолитозоне:

Рис. 5. Термостабилизаторы: а – со сдвоенным наклонным теплоотдающим элементом; б – с одинарным вертикальным теплоотдающим элементом; в – со сдвоенным вертикальным теплоотдающим элементом

Задачи и методы исследования

Исследования, проведенные автором в 2008 – 2015 гг., показали высокую степень отказов СОУ, доходящих на некоторых объектах до 20 – 30% от общего числа установленных термостабилизаторов, что совершенно недопустимо. Проверка работоспособности СОУ, установленных на площадках свайных фундаментов и на естественных промороженных основаниях, используемых в качестве фундаментов, проводилась по специальной методике с помощью как контактных методов контроля теплофизических параметров, так и методов дистанционного зондирования и изучения тепловых полей с применением термографов и тепловизионного оборудования, описанного в работе [5].

На рисунке 6 показана термограмма, полученная при инфракрасной тепловизионной диагностике работы вертикальных термостабилизаторов. Диагностике были подвержены теплоотдающие элементы СОУ в виде оребренных поверхностей. На термограмме видны два типа областей – красного (соответствующего более высокой температуре поверхности) и синего (отражающего более низкую температуру поверхности) цвета. Первый тип характеризует качественную работу СОУ, второй – некачественную работу или отказ [5]. Пример графика распределения температур в системе «грунт – СОУ – воздух» при качественном и работоспособном СОУ, полученного по результатам тепловизионной съемки на центральном пункте сбора нефти (ЦПС), представлен на рисунке 7. [5].

Рис. 6. Результаты тепловизионной диагностики работы теплоотдающих элементов вертикальных термостабилизаторов (изображения на экране тепловизора). Слева и в центре – работающие индивидуальные СОУ; справа – частично неработающие [3, 4]

Рис. 7. Результаты тепловизионной диагностики и график распределения температур в системе «грунт – СОУ – воздух» на центральном пункте сбора нефти РВС-2000 Т-4310 А. При температуре наружного воздуха минус 34,2°C температура грунта на вертикальной отметке H = -9 м составляет минус 1,5°C [3]

Эффективность СОУ

В рамках авторского надзора в феврале 2011 г. выполнялись опытно-промышленные исследования, целью которых было выявление работоспособности СОУ двух различных производителей на Ванкорском месторождении.

Исследования проводились с помощью метода тепловизионной диагностики в связи с тем, что анализ тепловизионных снимков позволяет быстро, качественно, дистанционно, точно и с высокой степенью информативности определить работоспособность СОУ на основании разности температур между оребренной частью СОУ и окружающим воздухом (рис. 6). Всего было обследовано 665 СОУ на различных объектах, в том числе, 216 шт. – изготовленные Производителем №1 (первая серия экспериментов); 449 шт. – изготовленные Производителем №2 (вторая серия экспериментов).

Первая серия экспериментов была проведена на объектах, где установлены СОУ Производителя №1. Результаты обследования представлены в таблице 3.

Таблица 3. Сводная таблица обследованных СОУ, изготовленных Производителем №1    

Выявленный в результате обследований брак был связан со сбоем заправки термостабилизаторов. После проведения техаудита Производителя №1 им были исправлены все ошибки. Кроме того, им была проведена модернизация технологии заправки СОУ хладагентами, введена система 100% компьютерного контроля заправки СОУ на всех заправочных постах. Дополнительно им проводятся испытания работоспособности 10% от каждой отправляемой на объект партии СОУ в специальных климатических камерах. Данные меры позволили Производителю №1 полностью исключить выпуск бракованных СОУ.

Вторая серия экспериментов была проведена на объектах, где установлены СОУ Производителя №2. Результаты обследований представлены в таблицах 4-6.

Мониторинг работоспособности СОУ необходимо производить постоянно: от строительства сооружения и монтажа СОУ и далее на протяжении всего жизненного цикла объекта. Однако методика проведения тепловизионной диагностики с использованием термографов и тепловизоров имеет некоторые ограничения. Дело в том, что СОУ включаются в работу (во внутритрубном пространстве испарителя начинается рабочий цикл («кипения-конденсации») циркуляции хладагента) лишь при температурах наружного воздуха -15 – -19 градусов и ниже. Только в этот момент тепловизионные снимки или видеофильмы показывают качественную картину работы СОУ.

Следовательно, тепловизионная диагностика СОУ доступна, в основном, в зимний период.

При диагностике СОУ с использованием тепловизионной техники за период 2016 – 2017 годов наметился положительный тренд в увеличении количества работоспособных систем термостабилизации. Следует отметить также снижение числа неработоспособных СОУ до 2 – 7% как у первого, так и у второго производителя. Этот факт свидетельствует о результативности мер по проведению технологического аудита и работы производителей над совершенствованием технологических процессов.

Таблица 4. Результаты обследования СОУ, изготовленных Производителем №2                                                                                                

Таблица 5. Результаты обследования СОУ, изготовленных Производителем №2                                                                                                 

Таблица 6. Сводная таблица обследованных СОУ, изготовленных Производителем №2                                                                                      

Таблица 7. СОУ, изготовленные Производителем №1                                                              

Таблица 8. СОУ, изготовленные Производителем №2                                                               

Обеспечение качества СОУ – технологический аудит

В настоящее время изготовлением СОУ занимаются около десяти предприятий-производителей. При этом качество (и, соответственно, надежность) и стоимость выпускаемых термостабилизаторов у них различны. Заказчики выбирают поставщиков термостабилизаторов на основе тендерных и конкурсных процедур в соответствии с законодательством РФ (по постановлению Правительства № 223-ФЗ от 18.07.2011 г.). Но учет на практике лишь двух критериев – цены и сроков – приводит к отрицательным результатам и огромным финансовым потерям в результате принятия ошибочных технических и управленческих решений и использования некачественной продукции. В ряде случаев это происходит потому, что такие критерии, как качество и надежность, во внимание не принимаются.

Как увеличить надежность геотехнических систем, оснований и фундаментов в криолитозоне? По мнению автора – прежде путем повышения качества и, как следствие, надежности сезонно-действующих охлаждающих устройств за счет снижения их отказов, соблюдения технологических регламентов и стандартов на стадиях их заводского производства, транспортировки, хранения, монтажа, эксплуатации и геотехнического мониторинга. Отбор заказчиками наиболее качественных СОУ следует выполнять с помощью процедуры технологического аудита предприятий-производителей этих устройств. Отметим, что его проведение – одно из требований Минэкономразвития для подготовки программ инновационного развития российских госкомпаний на основании письма министерства от 16 ноября 2011 г. № 25537-ОФ/Д19 («О методических материалах по разработке паспортов программ инновационного развития»).

Технологический (технический) аудит производства СОУ – это комплекс мероприятий, нацеленных на подтверждение стабильного обеспечения качества, надежности и комплектности этих устройств предприятием-производителем. Решение таких задач не такое простое, каким кажется, и пока многим недоступно.

Поскольку надежность СОУ – объективное свойство этого изделия, введем понятия «отказ», «безотказная работа».

Отказ – это полная или частичная утрата работоспособности этим устройством. Безотказная работа СОУ – это функционирование устройства в течение жизненного цикла сооружения или геотехнической системы без утраты работоспособности.

Автор настоящей статьи в течение десяти лет проводил исследования работы различных типов и систем СОУ в криолитозоне [6]. На основании анализа статистической информации, представленной в таблицах 3 – 8 и на основе результатов инженерно-геокриологического мониторинга, тепловизионной диагностики, опытно-промышленных и полевых экспериментальных исследований были обобщены, систематизированы и установлены наиболее вероятные причины отказов СОУ (см. Наиболее вероятные…)

НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫЕ ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ СОУ

• утечка хладагента из внутренней полости СОУ (полный отказ);
• неполное «включение» СОУ, т.е. частичная работа, не обеспечивающая режим и характеристики, заявленные производителем (частичный отказ);
• повреждение и разрушение СОУ в процессе транспортировки, погрузочно-разгрузочных и (или) монтажных работ (частичный или полный отказ);
• разрушение и разгерметизация СОУ в процессе эксплуатации (частичный или полный отказ);
• разрушение или повреждение СОУ в период эксплуатации вследствие вандализма (частичный или полный отказ).

Чтобы исключить отказы СОУ необходимо, прежде всего, проанализировать, выявить и систематизировать факторы, влияющие на качество производственного процесса. С высокой степенью вероятности можно предположить, что на качество термостабилизаторов при их производстве и монтаже наиболее сильно влияют качество производства, типы материалов, методы работы и пр. (см. Факторы, влияющие на качество СОУ).

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО СОУ

• качество сварного стыка при производстве СОУ;
• качество сварочных электродов и оборудования (включая полуавтоматические и автоматические системы сварки), а также самих сварочных робот;
• качество и марка стали, из которой изготовлен корпус СОУ;
• качество и марка стали, из которой изготовлены узлы и детали СОУ;
• качество и марка трубы (шовной или бесшовной), из которой изготовлены корпуса СОУ;
• наличия визуального и инструментального контроля (ВИК) всех технологических операций;
• наличия антикоррозионной защиты элементов и деталей СОУ – нанесения антикоррозионных покрытий и контроля их толщины;
• качество заправки СОУ хладагентами и контроля качества заправки (наличия инертных газов в хладагенте и очистки хладагента от инертных газов);
• качество упаковки и такелажа СОУ;
• качество погрузочно-разгрузочных работ;
• качество строительно-монтажных работ при установке СОУ на строительной площадке;
• качество пусконаладочных работ;
• качество работ по авторскому надзору;
• качество контроля теплофизических характеристик работы СОУ после их запуска, включая термометрию и тепловизионную диагностику;
• наличие геотехнического мониторинга в процессе эксплуатации СОУ [6].

Кроме того, в качестве одного из критериев эффективности СОУ необходимо учитывать максимальный срок их службы (эксплуатации), который должен быть не меньше жизненного цикла сооружения, на котором они будут установлены (как правило, не менее 30 – 50 лет).

ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА И КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО АУДИТА ЗАВОДСКОГО ПРОИЗВОДСТВА СОУ

• тип (спиралевидный, дисковый или др.) и материал оребрения теплоотдающего элемента;
• тип сварки стыков (ручной, полуавтоматический, автоматический, с использованием сварочного робота);
• тип и марка сварочных электродов;
• методы контроля сварки (рентгеновский, ультразвуковой или др.);
• тип и марка антикоррозионного покрытия (АКП) стыков и поверхности СОУ;
• метод подготовки поверхности под АКП;
• методы контроля толщины и качества АКП;
• тип и марка хладагента;
• тип (шовный, бесшовный) трубы, материал и марка стали корпуса СОУ;
• геометрические параметры корпуса и других элементов СОУ;
• методы визуального и инструментального контроля качества.

Отметим, что в статье рассмотрены лишь некоторые факторы – наиболее сильно влияющие на качество и надежность СОУ.

Оценка параметров СОУ при технологическом аудите предприятия производится независимыми экспертами на основе критериального анализа и балльной шкалы оценок. Результаты аудита обобщаются и представляются заказчику в форме отчета и рекомендаций. На основе технологического аудита разных предприятий заказчик может выбрать для приобретения СОУ того или иного изготовителя. В частности, результаты такой работы после аудита предприятий-изготовителей СОУ, выполненного ООО «НПФ “Дорцентр”» с участием автора, были успешно внедрены ООО «ЯмалГазПромТранс» при термостабилизации земляного полотна железной дороги с использованием СОУ в Ямало-Ненецком автономном округе [1 – 3].

Заключение

К геотехническим системам с использованием сезонно-действующих охлаждающих устройств в криолитозоне необходимо предъявлять повышенные требования при принятии проектных решений. Тенденция к повышению температуры грунтов и деградации вечной мерзлоты на многих территориях криолитозоны проводит к дополнительным осложнениям в строительстве и эксплуатации на них зданий и сооружений. При этом существующая нормативная база не обеспечивает достаточный уровень безопасности нефтегазопромысловых и других ответственных объектов в криолитозоне.

Показатели отказов СОУ (до 20–30%) являются крайне высокими и недопустимыми для геотехнических систем, работающих в условиях криолитозоны.

Для повышения надежности работы сезонно-действующих охлаждающих устройств, используемых при строительстве в криолитозоне, предлагается проводить технологический аудит предприятий-изготовителей СОУ с использованием экспертного критериального анализа и на основе его результатов правильно выбирать поставщиков термостабилизаторов.

1. Подводя итоги системного анализа природно-климатических факторов и инженерно-геокриологических условий строительства и эксплуатации геотехнических систем с использованием СОУ, можно утверждать, что к таким геотехническим системам необходимо предъявлять повышенные требования по принятию проектных и конструктивных решений.

2. В результате исследований установлено, что фактическая температура воздуха неизменно превосходит нормативную, а в последние два года отклонения превысили 3,5°С. Многолетний ход температуры поверхности почвы повторяет динамику температуры воздуха, что убедительно подтверждает корреляцию этих климатических параметров. Среднемесячное количество осадков колеблется в интервале от 2 до 128 мм, установлен тренд их увеличения. В криолитозоне Ямала объективно сложились климатические условия (увеличение температуры воздуха, рост осадков и средней высоты снежного покрова), которые способствуют повышению температуры грунтов, деградации вечной мерзлоты, что проводит к дополнительным осложнениям в строительстве и эксплуатации зданий и инженерных сооружений в условиях криолитозоны.

3. Проведен глубокий системный анализ существующих нормативных и расчетно-теоретических документов, позволяющий утверждать о том, что в настоящий момент существующая нормативная база не является определяющей, необходимой и достаточной, и не обеспечивает законодательно регламентированный уровень безопасности нефтегазопромысловых объектов и инженерных сооружений в криолитозоне.

4. На основании анализа огромного массива статистической информации: результатов геокриологического мониторинга, результатов тепловизионной диагностики, опытно-промышленных и полевых экспериментальных исследований, установлены, выявлены, обобщены и систематизированы наиболее вероятные причины отказов СОУ. Дана их количественная оценка.

5. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по специальной методике, с использованием, как контактных методов контроля теплофизических параметров, так и методов дистанционного зондирования и изучения тепловых полей с использованием термографов и тепловизионного оборудования, показали высокую степень отказов СОУ, доходящих на некоторых объектах до 20–30% от общего числа установленных термостабилизаторов. Показатели отказов являются крайне высокими и недопустимыми для геотехнических систем, работающих в условиях криолитозоны, как правило, на сложных и уникальных объектах.

6. На основании натурных и экспериментальных исследований установлены закономерности, позволяющие утверждать о том, что количество отказов СОУ, в процессе их эксплуатации, напрямую коррелирует с величиной их надежности, зависящей от качества и соблюдения технологического регламента и стандартов на всех стадиях: заводского производства, транспортировки, хранения, монтажа, эксплуатации и геотехнического мониторинга.

7. Результаты проведенных исследований с использованием тепловизора установили, что на абсолютно качественном и  работоспособном СОУ(отобранном в результате техаудита) ,  при температуре наружного воздуха -34,2 градуса - температура грунта на отметке -9 м составила -1,5 градуса, что было подтверждено графиком  распределения температур в системе: «Грунт – СОУ - Воздух» на основании  натурного  опытно-промышленного эксперимента на реальной геотехнической системе, что соответствует нормативным значениям.

8. В результате решения практических задач разработан и использован метод оценки и выявления наиболее оптимальных конструктивных решений и образцов СОУ, выпускаемых в настоящее время предприятиями-производителями в РФ.

9. На основании исследований разработан и внедрен алгоритм оценки качества и надежности СОУ по результатам экспертного критериального анализа по специально разработанной методике проведения техаудита.

10. С целью снижения производственно-финансовых рисков в процессе проектирования и строительства объектов в криолитозоне рекомендовано в 100% случаев использовать технический аудит при выборе оптимальных проектных решений и поставщиков СОУ.

11. Результаты исследований успешно внедрены на предприятии ООО «ЯмалГазПромТранс» при термостабилизации земляного полотна железной дороги с использованием СОУ в условиях криолитозоны Ямала.

Список литературы

1. Стрижков С.Н. Вопросы строительства и проектирования дорог в криолитозоне // Трубопроводный транспорт. 2013. № 4 (38). С. 53-55.
2. Стрижков С.Н. Инновационные процессы в нефтегазовом комплексе России: монография. Тюмень: Печатник, 2006. 208 с.
3. Стрижков С.Н. Формирование инновационной среды в строительном комплексе Тюменской области // Строительный вестник Тюменской области. 2007. № 2 (40). С. 28-36.
4. Стрижков С.Н., Варламов Н.В. Об обеспеченности нормативными документами в области проектирования, строительства и эксплуатации объектов ТЭК на многолетнемерзлых грунтах и на Арктических территориях / Сборник докладов Международной конференции «Нефтегазстандарт-2012», Санкт-Петербург, 2012 г. С. 12-18.
5. Стрижков С.Н., Загребнев А.С. Аэротепловизионные исследования систем температурной стабилизации грунта на объектах трубопроводного транспорта // Трубопроводный транспорт (теория и практика). 2012. № 4 (32). С. 8-12.
6. Стрижков С.Н., Скорбилин Н.А. Мониторинг как критерий оценки надежности объектов с системами температурной стабилизации грунтов // Трубопроводный транспорт. 2012. № 1 (29). С. 10-17.
7. Хрусталев Л.Н., Пармузин С.Ю., Емельянова Л.В. Надежность северной инфраструктуры в условиях меняющегося климата. М.: Университетская книга, 2011. 260 с.
8. Стрижков С.Н. Повышение надежности геотехнических систем с использованием сезонно-действующих охлаждающих устройств.Научно-технический и производственный журнал «Геотехника». 2015. № 6. С. 34-41.