П’ятий рік поспіль російські дрони і ракети б’ють по українській критичній інфраструктурі. І якщо про пошкодження електромереж чи ТЕЦ ми чуємо чи не щодня, то робота газотранспортної системи (ГТС) часто залишається «у тіні» – доки в оселях є газ і тепло. Втім, об’єкти ГТС, зокрема наземні компресорні станції, є однією з пріоритетних цілей ворога. Вони опинилися під ударом у момент, коли сама система й без того переживає складний період: вона «вікова», розрахована на старі радянські стандарти й зовсім інші режими прокачування.
Як утримати стратегічну систему в робочому стані, коли старі нормативні томи не дають відповідей, а зупинка труби загрожує збитками й замерзанням міст? Відповідь знайшла команда українських науковців з Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України та Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. Дослідники об’єднали фундаментальну науку, математичне моделювання та суто практичні технології ремонту «під тиском», – ці висновки, методики і рекомендації зібрано в комплексну роботу «Стійкість та відновлення об’єктів зберігання та транспортування природного газу». Роботу висунуто на присудження Національної премії України імені Бориса Патона.
Про те, як науковці вчать стару систему жити за новими правилами, про підземну діагностику, водень у трубах та унікальні ремонти без зупинки прокачування газу, розповідає один із авторів роботи, провідний науковий співробітник Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, доктор технічних наук Олексій Міленін.
Коли старі інструкції не працюють
Газотранспортна система України – об’єкт стратегічний не лише для нас, а й для усієї Європи. Та водночас це надзвичайно зарегульована галузь. До повномасштабного вторгнення всі регламенти її експлуатації базувалися на нормах, написаних ще в минулому столітті. Ці норми були розраховані під стабільну роботу, стандартний тиск і спокійний графік ремонту.
«Коли почалася повномасштабна війна і обстріли критичної інфраструктури стали майже щоденними, виявилося, що в межах наявних норм нові проблеми розв’язати практично неможливо», – пояснює Олексій Міленін.
З’явилися інші проблеми і задачі, з якими також складно справитися в межах наявних норм. Наприклад, при будівництві газогонів передбачалося, що по них транспортуватимуть природний газ. Але транспортувати газогоном можна й водень, тим більше, що українська ГТС готується до транспортування водню, а точніше, його сумішей із газом у межах європейського «зеленого курсу». Документи ж, розроблені для природного газу, нічого не кажуть про безпечне транспортування водню. (Цю тему досліджує, зокрема, Ольга Звірко, завідувачка відділу діагностики корозійно-водневої деградації матеріалів Фізико-механічного інституту ім. Карпенка.)
Інший приклад – реверс. Газогони будувалися з розрахунком, що тиск іде з одного боку, а газ рухається, умовно кажучи, в Європу. Просто «розвернути» потік не можна – потрібно переосмислювати стратегію використання всієї системи.
І звісно, найбільший виклик – воєнний. Ворог нон-стоп б’є по компресорних станціях із охолоджувальними комплексами, які розташовані на поверхні, підземних сховищах газу, магістральних та технологічних трубопроводах. Після обстрілів потрібно дуже швидко оцінюватити технічний стан системи й розуміти, що ремонтувати першочергово, щоб уникнути аварійної зупинки. І орієнтуватися вже не на «томи інструкцій, складених ще в минулому столітті», а на реальний стан справ.
Від оцінки до технології
…Дослідження, які до початку війни йшли, образно кажучи, паралельними шляхами, науковці об’єднали в єдину мультидисциплінарну роботу. Очолив проєкт заступник директора Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона, член-кореспондент НАН України Сергій Максимов, під керівництвом якого науковці систематизували свої розробки у чотири ключові напрями.
Перший напрям – аналіз роботи всієї газотранспортної системи як єдиного цілого, а не окремо трубопроводів, компресорних станцій, підземних сховищ чи технологічних ліній. Тут враховують і умови реверсу, й аварійні зупинки станцій, і те, що зниження тиску в системі впливає на ефективність транспортування загалом. Методи оцінки такої «командної роботи» елементів системи розробили в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу – ректор Ігор Чудик і завідувач кафедри транспортування й зберігання енергоносіїв Василь Запухляк.
Другий напрям – дослідження того, як матеріал реагує на зовнішні впливи: деградація властивостей, воднева крихкість, зародження дефектів, руйнування загалом. Тут працюють, зокрема, Ольга Звірко з Фізико-механічного інституту та завідувачка відділу зварювання газонафтопровідних труб Інституту електрозварювання Людмила Ниркова. Йдеться не лише про теоретичні дослідження, а й про цілком конкретне розуміння, як поведеться той чи інший елемент системи в конкретних умовах і як його відремонтувати без зупинення експлуатації.
Третій напрям – експертиза технічного стану: детальний аналіз кожного конкретного випадку й рекомендації, що з ним робити.
Четвертий – технології ремонту й відновлення, зокрема інноваційні методи зварювання трубопроводів без виведення їх з експлуатації. У цій частині науковці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона тісно співпрацювали з інженерами-практиками «Укртрансгазу» (зокрема зі співавтором роботи, віцепрезидентом компанії Володимиром Рудком).
Олексій Міленін спеціалізується на математичному моделюванні й аналізує стан матеріалу за різних видів пошкоджень. «Ми розвинули новий напрям оцінки надійності матеріалів у найрізноманітніших ситуаціях та прогнозування впливів при ремонті й специфічних умовах експлуатації», – каже науковець.
Деякі ділянки суцільно «червоні»
Основна частина газопроводу пролягає під землею. Як дізнатися, у якому стані труба, не зупиняючи газогін?
«Для цього розумні люди вигадали дефектоскопи внутрішньотрубної діагностики, – з усмішкою розповідає науковець. – Це спеціальні прилади, які досить швидко рухаються всередині труби разом із газом чи нафтою. Бувають дефектоскопи, які важать декілька тонн! Перед ними йде спеціальний очисник, який згрібає сажу та бруд, за ним – прилад, що вимірює геометрію труби, аби дефектоскоп не застряг. І вже далі рухаються самі дефектоскопи, які збирають величезний масив даних за допомогою магнітних чи ультразвукових методів».
Інженер потім аналізує ці дані, і місця аномалій позначаються червоними крапками. У новому трубопроводі таких крапок може бути з десяток на сто кілометрів. Але українським трубам уже чимало років, вони зазнали впливу корозії, механічних навантажень, обстрілів.
«У нашому випадку воно все червоне! Уся стокілометрова ділянка між компресорними станціями – це тисячі дефектів різного типу, – розповідає Олексій Міленін. – Інженер бачить ці червоні цятки й думає: що з цим робити? Зупинка газогону означає величезні збитки. А класичні стандарти оцінки технічного стану дуже консервативні й передбачають зупинку газогону за сумою факторів. Втім, якщо норматив каже, що дефект «неприпустимий», це не означає, що завтра станеться аварія. Це означає, що експерт бачить старі інструкції, не розуміє, що буде далі, і перестраховується».
В умовах війни така надлишкова перестраховка небезпечна для економіки: якщо слідувати їй сліпо, доведеться безкінечно зупиняти й ремонтувати систему.
Є й ділянки, куди дефектоскоп не потрапляє, – наприклад, круті згини труби («коліна») або повітряні переходи над річками, які не витримають кількох тонн обладнання. Такі місця перевіряють люди – над водою, під водою, на згинах.
Внутрішньотрубні перевірки проводять приблизно раз на два роки, залежно від результатів попередньої. Але в умовах війни й сильної деградації трубопроводів виникають ситуації, які взагалі не передбачені жодними стандартами.
«На вчора» і без паніки
Щоб не помилитися з рішенням, зупиняти газогін чи ні, і водночас не перестрахуватися надмірно, потрібні додаткові інструменти аналізу. Тому команда розробила наукові підходи, які пов’язують між собою всі технологічні фактори – наявність зварних з’єднань, ремонти, різні типи деградації в умовах змінного навантаження тощо.
Олексій Міленін пояснює логіку на простому прикладі: «Розірвати звичайну скріпку дуже важко, але якщо її багато разів зігнути, вона легко зламається». Тобто важливо розрізняти одноразове навантаження на трубу і багаторазове циклічне, і саме повторювані впливи часто недооцінюють.
Ще один елемент підходу – врахування невизначеності. Якщо науковці точно не знають, які процеси відбуваються просто зараз у трубі в «підземному царстві», потрібно чесно це визнати, а не автоматично брати за основу найгірший сценарій. Для цього вчені розробили окремі критерії, що базуються на сучасних принципах ризик-аналізу.
За словами Олексія Міленіна, вже були ситуації, коли після виявлення значних пошкоджень трубопроводів, за старими інструкціями систему потрібно було зупиняти. Але оцінивши реальний стан труби за новими методиками, фахівці переконалися: газогін витримає. Трубопровід продовжив працював, а ремонти виконали пізніше.
Дуже часто рішення щодо несподіваної ситуації потрібно ухвалювати негайно. «Але, щоб терміново «дістати з кишені» рішення, його спочатку потрібно туди покласти», – каже науковець. Роль вчених, за його словами, саме в тому, щоб мати напрацьовані рішення для екстремальної, несподіваної ситуації ще до того, як вона станеться.
«До нас часто приходять з бізнесу, з промисловості, і кажуть: у нас проблема! І, звісно, ніхто не приходить заздалегідь і не каже — давайте вирішимо проблему, яка буде за десять років. Кажуть: треба на вчора, а краще на позавчора». Рішення, які пропонують вчені на той чи інший запит, завжди спираються на багаторічну копітку роботу.
Заварити, не зупиняючи
Окрема, надзвичайно відповідальна частина роботи – це ремонт без зупинки газогону.
Класичний капітальний ремонт коштує дуже дорого: потрібно зупинити ділянку, вирізати пошкоджений шматок труби, привезти новий і замінити, а ще подумати, куди подіти залишок газу в трубі і як не допустити екологічної катастрофи через його потрапляння в атмосферу. Тому науковці розвивають технології, які дозволяють ремонтувати ділянку локально й швидко, без зупинки.
В Україні ці технології ускладнюються тим, що газопровід може перебувати під тиском до 70–75 атмосфер, а на пошкоджених ділянках корозія подекуди «з’їла» половину товщини стінки труби. Коли вчені пропонують відремонтувати такий проблемний вузол без зупинки газогону, інженери запитують: а ви впевнені, що так можна? Може, краще зупинити систему і замінити ділянку?
За словами співрозмовника, ризик очевидний: під час зварювання метал плавиться, а газ під шаленим тиском теоретично може вибухнути. Тому рішення про ремонт без зупинки – це величезна відповідальність, і саме для таких рішень команда розробила і нові критерії вибору безпечних умов ремонту, й інноваційні технологічні методи.
Одним із методів ремонту є наплавлення. У місці, де метал з’їдений корозією, наносять новий шар металу, шліфують, фарбують – і газогін продовжує роботу. Подібні стандартизовані методи використовують у США й Норвегії, і, звісно, їх використовували в Україні ще до війни. Але саме в рамках цього дослідження їх розвинули далі – додали рекомендації для глибоких пошкоджень і складних випадків. Наприклад, за якої температури вести зварювання, як уникнути перегріву, як охолоджуватиметься наплавлена ділянка (і чи не з’являться після цього тріщини).
Звісно, відремонтована ділянка матиме іншу структуру металу, інші властивості й залишкові напруження, й потрібно розуміти, чи буде вона такою ж надійною, як і решта труби. «Це не масове виробництво, – наголошує Олексій Міленін, – це рішення й технології для конкретних ситуацій».
На ослаблених ділянках і там, де дефекти складніші, ставлять підсилювальні конструкції – хомути, муфти. Ці складні інноваційні підсилювальні конструкції розроблені в Інституті електрозварювання. Вчені обґрунтовують, у яких випадках вона буде ефективною, які режими зварювання й порядок монтажу потрібні.
А для ділянок, які проходять водою, розробили технології підводного ремонтного зварювання. Зварювальна дуга має величезну температуру, вона миттєво випаровує воду, створюючи навколо точки зварювання газовий «пухир». Спеціально розроблені матеріали й режими ремонту дозволяють надійно заварювати пошкодження навіть на дні річок.
Про масштаб і цифри
Робота над цими дослідженнями триває орієнтовно десять років. За цей час опубліковано дев’ять монографій, підручники, посібники, отримано 11 патентів на винахід, 21 патент на корисну модель та авторські свідоцтва.
Але, вважає науковець, унікальність роботи саме в масштабному впровадженні: офіційно зафіксовано близько тисячі випадків використання нових технологій – переважно це ремонти складних ділянок в екстремальних умовах, – хоча насправді таких випадків значно більше.
Щоб мати змогу проводити таку експертизу, довелося розвинути нові підходи механіки суцільних середовищ із урахуванням технологічних особливостей. Раніше цього ніхто не робив. Так само створювали й нові методи ремонтно-відновлювальних робіт, яких до цього просто не існувало.
На запитання: «Як це працює на практиці?», співрозмовник відповів, що спершу команда проводить фундаментальні теоретичні дослідження, потім створює прототип рішення й демонструє його виробничникам, зокрема фахівцям «Укртрансгазу». «Якщо прототип отримує схвальну оцінку, перше, про що просять практики, надати нормативний документ. Щоб технологію можна було офіційно застосовувати, потрібно її регламентувати», – продовжує розповідь вчений.
Це ціла процедура. Один із результатів такої роботи – документ «Магістральні газопроводи. Ремонт дуговим зварюванням в умовах експлуатації», який дослідник демонструє під час розмови. Нині цей документ входить до галузевих норм. Спираючись на нього, інженер може обрати конкретну ремонтну конструкцію для відновлення пошкодженої ділянки.
До слова, до пошуку рішень активно залучали й представників експлуатаційних організацій – віцепрезидент ПАТ «Укртрансгаз», кандидат технічних наук Володимир Рудко увійшов до команди авторів роботи. За словами Олексія Міленіна, практики переконалися, що пропоновані рішення справді працюють, і почали використовувати їх у щоденній роботі. На сьогодні зафіксовано сотні актів про впровадження, які підтверджують, що наука й практика працюють разом.
Підсумовуючи, можна сказати, що робота «Стійкість та відновлення об’єктів зберігання та транспортування природного газу» – про те, як не дати системі зупинитися тоді, коли зупинятися не можна.
За словами Олексія Міленіна, попереду чимало роботи, адже список нестандартних ситуацій, з якими стикається ГТС, не скорочується. Тож дослідження триватиме і, сподіваємось, наступні його частини будуть присвячені відновленню системи після війни та пошуку нових рішень для транспортування енергоносіїв майбутнього.
Підготувала Світлана ГАЛАТА