Techniczne aspekty wytrzymałości gazociągów

PALIWA
Techniczne aspekty
wytrzymałości gazociągów
Marek Łysakowski
ILF Consulting Engineers Polska Sp. z o.o.
Bezpieczeństwo
ciśnieniowe, czyli gwarancja
pracy gazociągu przy
maksymalnych parametrach
projektowych oraz spełnienie
wszelkich wymagań
formalnoprawnych, należą
do podstawowych wymagań,
jakie stawia się przy
projektowaniu gazociągów
60
Zapewnienie bezpieczeństwa ciśnieniowego
wymaga uwzględnienia szeregu zagadnień już na
etapie projektowania, tak by przygotowana dokumentacja rozwiała wszelkie wątpliwości, które
mogą się zrodzić na etapie realizacji.
Trudności, które wpłyną na pracochłonność
przygotowania dokumentacji, a w późniejszym
etapie także na pracochłonność w fazie realizacji inwestycji oraz związane z tym koszty, można
przewidzieć już na etapie planowania trasy gazociągu. Do czynników formalnoprawnych, które należy uwzględnić, należą m.in. planowane inwestycje, dla których uzyskane pozwolenia na budowę
generują potencjalne kolizje, czy aspekt społeczny,
który przy braku specjalnej ustawy obejmującej
planowane przedsięwzięcie, może wydłużyć, a nawet zablokować inwestycję na długie lata. Istnieje również szereg przesłanek technicznych, które
mogą znacząco wpłynąć na koszty związane zarówno z budową, jak i eksploatacją gazociągu.
Poza obiektami stacyjnymi, ściśle związanymi
z gazociągami przesyłowymi, odcinki liniowe układa się zwykle w zabudowie podziemnej. Dzięki
temu można realizować inwestycję bez konieczności wykupu terenu, na zasadzie służebności przesyłu (według obowiązującego w Polsce prawa).
październik - grudzień
4 / 2015 [15]
Ogranicza to również ryzyko ingerencji osób trzecich oraz zapewnia stabilne parametry procesowe.
Co więcej, zamarzanie tworzących się niekiedy
w przesyłanym medium wytrąceń w postaci hydratów jest niemożliwe, dzięki ułożeniu gazociągów
poniżej strefy przymarzania gruntu. Dodatkowo
zmiany temperatury otoczenia są niewielkie, co
ma korzystny wpływ na kompensację gazociągu.
Przykładowo w krajach o wysokiej temperaturze
otoczenia oraz o dużym nasłonecznieniu, w analizie naprężeń należałoby uwzględnić maksymalny
temperaturowy zakres pracy instalacji, przez co
budowa gazociągów nadziemnych mogłaby skutkować koniecznością zabudowy dużej ilości pętli
kompensacyjnych, co z kolei spowodowałoby znaczący wzrost kosztów budowy gazociągu.
Najważniejsze parametry projektowe
związane z gazociągami
Do najważniejszych parametrów projektowych
związanych z gazociągami, poza wspomnianą
wcześniej temperaturą otoczenia, należą ciśnienie
i temperatura przesyłanego medium oraz skład
chemiczny gazu. Ciśnienie i temperatura są ściśle
związane z dobranymi parametrami wytrzymałościowymi elementów rurociągu, natomiast skład
PALIWA
Paliwa
i Energetyka
chemiczny gazu wpływa na aspekty eksploatacyjne i procesowe.
Szczególnie ważna jest szybkość zachodzącej korozji i ilość tworzących się hydratów, dlatego na etapie projektu „procesowego”
przewiduje się szereg urządzeń, armaturę i inne zabiegi techniczne,
umożliwiające zoptymalizowanie parametrów przesyłanego medium oraz dostosowanie do pracy z już istniejącą siecią przesyłową.
W tym celu buduje się obiekty gazowe w postaci tłoczni gazu, stacje gazowe czy magazyny gazu. W zależności od potrzeb procesowych oraz eksploatacyjnych, na obiektach gazowych projektuje się
układy technologiczne z urządzeniami w postaci filtroseparatorów
lub filtrów, śluz nadania i odbioru tłoków inspekcyjnych, układów
redukcji lub regulacji ciśnienia, odwadniaczy, elementów armatury
zaporowej, upustowej, bezpieczeństwa oraz urządzeń kontrolnych,
pu otwartego i w rezultacie powstaje konieczność przekroczeń
metodami bezwykopowymi, jak np. przewiert sterowany HDD
(jary, kaniony, rzeki o głębokich korytach itp.). Dodatkowo duża
różnica wysokości terenu generuje trudności z kontrolą ciśnienia
na etapie prób hydraulicznych oraz problemy z usunięciem potencjalnych hydratów, przez co niekiedy konieczna jest budowa
dodatkowych obiektów związanych z lokalnymi odwadniaczami.
pomiarowych i innych. Zdarza się, że we wstępnej fazie projektowania konieczne jest uwzględnienie kotłowni, nawanialni gazu
oraz innych obiektów związanych ściśle lub pośrednio z eksploatacją gazociągów. Jeżeli w niedalekiej przyszłości przewidywane
jest wykonanie potencjalnych przyłączy czy rozbudowa sieci przesyłowej, należy zaplanować wyizolowane armaturą odcinki umożliwiające włączenie bez konieczności zatrzymania pracy instalacji
gazowej. Przyłącze może zostać także wykonane w technologii
hermetycznej, jednak koszty jego realizacji są dużo większe w stosunku do standardowo wykonanego przyłącza.
Wymienione aspekty determinują lokalizację gazociągu pod
kątem przesyłu gazu – największą bowiem trudnością budowy
obiektów gazowych jest uzyskanie prawa własności do terenu.
Sam odcinek liniowy, łączący obiekty gazowe, ma pewną ograniczoną dowolność pod względem lokalizacyjnym, jednak przed
ostatecznym zawężeniem korytarza przesyłowego (przed decyzją
lokalizacyjną) warto rozważyć kilka opcji tras i rozpoznać dla nich
potencjalne kolizje nadziemne i podziemne oraz trudności związane z posadowieniem gazociągu i przekroczeniem poszczególnych skrzyżowań w celu optymalizacji trasy.
Istotnym czynnikiem jest także ukształtowanie terenu i dostęp
do akwenów wodnych z możliwością poboru i zrzutu wody
na potrzeby wytrzymałościowych prób hydraulicznych. Przy
uwzględnieniu ograniczeń wynikających z naturalnej elastyczności rurociągu, a co za tym idzie z możliwością ugięcia gazociągu, mogą powstać trudności przejścia gazociągu metodą wyko-
-budowlanych, związanych m.in. z wymianą gruntów nienośnych
(czasami nawet kilkadziesiąt metrów) lub z wykorzystaniem adekwatnych konstrukcji umożliwiających stabilne posadowienie.
Najczęściej stosowane rozwiązania bazują na palowaniu terenu
z posadowieniem gazociągu na geowłókninie z ewentualnymi
drenażami, zapewniającymi zachowanie odpowiedniej gospodarki wodno-gruntowej. Ze względu na miąższość gruntu, a przede
wszystkim poziom wód gruntowych, konieczne jest dociążenie gazociągu, które zwykle realizuje się za pomocą prefabrykowanych
obciążników lub opaski betonowej. Aktualnie obciążniki betonowe zastępuje się specjalnie przygotowanymi workami wypełnionymi dostępnym gruntem z wykopu, ze względu na takie korzyści,
jak minimalizacja uszkodzeń powłok izolacyjnych czy ekonomia
i pracochłonność wykonania. Jeżeli nie ma możliwości ominięcia
terenów osuwiskowych, konieczne są dodatkowe, bardziej zaawansowane konstrukcje. Warunki gruntowe znacząco wpływają
na zachowanie się gazociągu pod względem wytrzymałościowym,
dlatego pośrednim aspektem, który należy uwzględnić, może być
bliska lokalizacja terenów wykopalisk itp. Ze względu na antykorozyjne zabezpieczenie gazociągu, ułożenie go w gruncie kamienistym, ale i zasypanie go zbrylonym, twardym iłem, jest rozwiązaniem niekorzystnym, a wręcz niedopuszczalnym.
październik - grudzień
Rozpoznanie geologiczne gruntu
Kolejnym, bardzo istotnym czynnikiem, który może generować
znaczne koszty na etapie realizacji, jest rozpoznanie geologiczne
gruntu. Posadowienie gazociągów w gruncie nienośnym wymaga
wykonania dodatkowych kosztownych zabiegów konstrukcyjno-
Normy projektowe dla gazociągów
Preferowaną normą projektową dla gazociągów jest PN-EN
1594, natomiast materiałową na rurociągi stalowe wysokiego ci4 / 2015 [15]
61
PALIWA
śnienia, o sprawdzonej udarności, dla przesyłu gazu jest PN-EN
ISO 3183. Określają one szereg wytycznych w kwestii wytrzymałości. Poniżej przywołano czynniki, które powinien mieć na uwadze projektant.
„(…) Rurociąg powinien być tak zaprojektowany, aby mógł
wytrzymać skutki przewidywanych sił oddziałujących w wyniku:
– ciśnienia wewnętrznego;
– zginania sprężystego;
– obciążeń zewnętrznych;
– zmian temperatury;
– kotwienia lub zasypania rurociągu, ruchu drogowego lub kolejowego, obciążeń występujących podczas montażu rurociągu
oraz prób ciśnieniowych;
– obciążeń wywołanych masą wody podczas przeprowadzania
prób hydrostatycznych;
– oddziaływania przyłączonych odgałęzień;
– połączenia elementów nie będących pod ciśnieniem;
– wyporu hydrostatycznego;
– oddziaływania jakiejkolwiek innej konstrukcji ułożonej w gruncie, takiej jak rurociąg, gazowy przewód rozdzielczy lub przyłącze;
– obciążeń wynikających z otaczającego środowiska, takich jak
parcie wody w wyniku powodzi, oblodzenia, śniegu, wiatru;
– osiadania, zapadania w wyniku działalności górniczej;
– wysadziny spowodowanej mrozem;
– osuwania się terenu;
– obszarów o wysokim ryzyku sejsmicznym;
– zwiększonych warstw gruntu, przewidywanych w przyszłości,
lokalnych wałów itp.;
– erozji gruntu;
– odcinków ułożonych nad ziemią;
– inne (…)”.
Ochrona antykorozyjna
Warto również wspomnieć o zagadnieniu ochrony antykorozyjnej, która w istotny sposób wpływa na żywotność gazociągu.
Bierna ochrona antykorozyjna zapewnia izolację pomiędzy gazociągiem a środowiskiem zewnętrznym, natomiast czynna ochrona
antykorozyjna, czyli ochrona katodowa, wykorzystuje zjawiska
elektryczne przede wszystkim w celu wyrównania różnicy potencjałów pomiędzy rurociągiem i otoczeniem, aby zminimalizować
prędkość zachodzących zjawisk korozyjnych. Odpowiedni dobór
ochrony antykorozyjnej i przemyślane rozwiązania techniczne
mogą zapewnić skuteczną ochronę i zagwarantować długotrwałą
eksploatację gazociągu bez konserwacji czy remontów. W instalacjach nadziemnych powłokę ochronną dobiera się przede wszystkim pod kątem warunków atmosferycznych. W przypadku gazociągu ułożonego w gruncie zapewnienie dobrego zabezpieczenia
antykorozyjnego jest częstym problemem. Czasami już w trakcie
układania gazociągu izolacja na rurach zostaje uszkodzona, co
przy bliskiej lokalizacji, np. trakcji kolejowej, skutkuje szybkim
procesem korozji. Dlatego kluczowe jest szczegółowe określenie
wymagań technicznych dotyczących wykonania izolacji na gazociągach oraz ochrony katodowej. Szczególnie wrażliwymi miejscami pod względem ochrony katodowej są przekroczenia z wykorzystaniem metod bezwykopowych (ze względu na możliwości
uszkodzenia izolacji w trakcie przewiertów czy przecisków) oraz
przekroczenia w rurach osłonowych. Aktualna praktyka zakłada
unikanie stosowania rur osłonowych na rzecz przejścia rurami produktowymi o zwiększonych grubościach lub z dodatkowym zabezpieczeniem izolacji, np. poprzez dodatkowe powłoki epoksydowe, zabezpieczające przed uszkodzeniem izolacji na etapie
62
październik - grudzień
wciągania rurociągu. Nieodpowiednie zabezpieczenie gazociągu
pod względem korozji może skutkować znacznym ubytkiem materiału, a zarazem zmniejszeniem grubości ścianki gazociągu, co
przy zachowaniu tych samych zakładanych warunków ciśnienia
może doprowadzić do rozszczelnienia gazociągu.
Diagnostyka
Istotnym elementem w ocenie stanu technicznego gazociągu jest
jego diagnostyka. Już na etapie budowy gazociągu konieczna jest
wnikliwa ocena jakościowa użytych materiałów, ocena wykonania spawów oraz sprawdzenie wytrzymałości gazociągu poprzez
wykonanie prób ciśnieniowych. W celu oceny stanu technicznego
gazociągu po montażu okresowo wykonywane są badania gazociągu tłokami inspekcyjnymi. Na podstawie tych badań można
ocenić rzeczywistą geometrię gazociągu (m.in. przebieg, grubość
ścianki, owalizację) oraz potencjalne wady materiałowe powstałe
w wyniku realizacji budowy i eksploatacji. Okresowa diagnostyka
daje szczegółowe informacje w zakresie stopnia degradacji materiału w procesie długotrwałej eksploatacji oraz możliwość wczesnego zaplanowania potencjalnych modernizacji.
Bezpieczeństwo wytrzymałościowe
Przy projektowaniu i budowie gazociągów szczególną uwagę
należy zwrócić na bezpieczeństwo wytrzymałościowe. Zdarzały
się przypadki, w których nawet drobna wada materiałowa, przy
nałożeniu pneumatycznej próby wytrzymałościowej na obiekcie,
skutkowała katastrofą budowlaną (np. LNG Terminal Shanghai,
Chiny), a nieodpowiedni stan techniczny na odcinku liniowym
wpłynął na jego rozszczelnienie, co w konsekwencji nałożenia się
strefy zagrożenia wybuchem na linię energetyczną, skutkowało
eksplozją (np. Teksas, USA).
W ostatnich latach występowały także przypadki rozszczelnienia
gazociągów wysokiego ciśnienia w Polsce, a ekspertyzy w zakresie przyczyn są trudne do jednoznacznej oceny. Dlatego należy
mieć świadomość, że wytrzymałość gazociągu zależy od wielu
czynników, a ich prawidłowe rozpoznanie i zdefiniowanie ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa eksploatacji gazociągu oraz
bezpieczeństwa jego otoczenia. Aby zminimalizować wszelkie
potencjalne ryzyka, oprócz przyjęcia normatywnych współczynników bezpieczeństwa i zastosowania materiałów o normatywnych
własnościach wytrzymałościowych, analizuje się najgorsze warianty pracy gazociągu i wprowadza dodatkowe rozwiązania techniczne wpływające na bezpieczeństwo pracy gazociągu.
Kontrola bezpieczeństwa
Samodyscyplina projektanta oraz wykonawcy robót jest dodatkowo sprawdzana przez zewnętrzne organy administracyjne.
W Polsce kontrolę nad bezpieczeństwem ciśnieniowym gazociągów sprawuje aktualnie Urząd Dozoru Technicznego (UDT), którego zadaniem jest m.in. opiniowanie i uzgodnienie warunków
technicznych wykonania i odbioru dla przedmiotowego zadania
projektowego z uwzględnieniem obliczeń wytrzymałościowych,
specyfikacji materiałowych na wszystkie ciśnieniowe podzespoły gazociągu, a także kontrola i weryfikacja poprawności wykonania elementów gazociągu, spoin, zatwierdzenie projektu prób
i odbiór prób wytrzymałościowych oraz dopuszczenie gazociągu
do eksploatacji. Obecnie, na bazie porozumień pomiędzy UDT
i poszczególnymi operatorami gazociągów (przy uwzględnieniu
obowiązujących przepisów), zostały zdefiniowane określone wymagania stron w zakresie projektowania i budowy gazociągów
oraz zakres roli UDT w procesie projektowania, budowy oraz eksploatacji gazociągów.

4 / 2015 [15]