Угрозы таяния многолетней мерзлоты для промышленных предприятий
Около 65% территории России - практически вся арктическая зона РФ - находится в зоне сплошной многолетней мерзлоты (криолитозоне), в том числе 85% территории Восточной Сибири, 95% Республики Саха (Якутия), Магаданской области и Чукотского АО. Зона прерывистого (островного) распространения многолетнемерзлых пород (ММП) охватывает север Европейской России (Карелия и Мурманская область), полуостров Таймыр, Полярный Урал, север Западной Сибири, Прибайкалье и юг Забайкалья, Дальний Восток.
Арктические регионы России, целиком охваченные многолетней мерзлотой, имеют огромное хозяйственное значение. В криолитозоне РФ сосредоточено 32% разведанных нефтяных запасов страны, 63% природного газа, богатые месторождения цветных металлов, золота и алмазов, значительные залежи каменного угля и торфа, две трети гидроэнергоресурсов.
Для освоения этих природных богатств была создана дорогостоящая и высокорисковая инфраструктура: объекты нефтегазовой отрасли для добычи, хранения, транспортировки и выдачи углеводородов, тысячекилометровые магистральные газо- и нефтепроводы, возведены гидроэлектростанции, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. Однако развитие этих территорий осложнено деградацией почв, которую провоцируют глобальное потепление и техногенные воздействия.
При сплошном распространении многолетнемерзлых пород (ММП), в их верхней части летом формируется слой сезонного протаивания, глубина которого зависит от климатических условий и состава пород. При островном распространении мерзлоты к нему добавляется сезонное промерзание талых пород зимой, образуя сложный конгломерат подземных льдов и островов талых грунтов различной степени рыхлости, влажности, с типичными для криолитозоны деструктивными процессами термокарста, пучения, морозобойного растрескивания, наледи, солифлюкции.
По данным Арктического совета Программы мониторинга и оценки Арктики (АМАР)., несущая способность грунта в российских регионах многолетней мерзлоты с 2012 по 2022 годы снизилась на 30–50%. Оттаивание проблемного грунта несет потенциальную угрозу зданиям и инженерным сооружениям, как на стадии строительства, так и в период их эксплуатации.
По результатам совместного исследования МГУ, РАН и «Гидроспецгеологии», которые были озвучены в 2021 г на Невском международном экологическом конгрессе, к 2050 году потери экономики Российской Федерации от таяния многолетней мерзлоты составит 5 трлн рублей. Наибольший ущерб может быть причинен авариями на особо опасных, технически сложных и уникальных объектах тепловой и атомной энергетики, гидротехнических сооружениях, мостах, трубопроводах, на объектах инфраструктуры железных и автомобильных дорог, электросетевого хозяйства, связи.
Геомониторинг технического состояния объектов в зоне многолетней мерзлоты
В настоящее время все больше промышленных предприятий, инфраструктура которых располагается в охваченных многолетней мерзлотой арктических регионах России, планируют внедрение систем геотехнического мониторинга и контроля безопасности на своих производственных объектах. Руководители этих компаний присматриваются к решениям, которые предлагает рынок ИТ-систем мониторинга, стараясь при этом сочетать исполнение федеральных норм и правил (ФНП), предписаний отраслевых министерств с собственными планами развития и разумной экономией средств.
Компания «СМИС Эксперт» разработала межотраслевое решение (систему) автоматизированного геотехнического мониторинга технического состояния оснований и фундаментов зданий и сооружений, эксплуатируемых в зоне многолетнемерзлых пород (ММП), на основе открытого протокола передачи данных LoRaWAN (технология промышленного интернета вещей - IIoT), которая никогда ранее в высокоточном мониторинге конструкций не применялась.
LoRaWAN (IoT) - перспективная технология для решений в сфере геотехнического мониторинга оснований объектов, обеспечивающая:
- высокую дальность передачи данных (до 10 км);
- низкое энергопотребление – возможность использования датчиков с автономным питанием от маломощных батарей АА, большую часть времени датчики находятся в энергосберегающем (спящем) режиме и могут бесперебойно функционировать до 10 лет;
- открытый стандарт, удобный для России, с высокой степенью защиты передаваемых данных (за счет двойного сквозного шифрования);
Технология LoRaWAN предлагает оптимальное время автономной работы датчиков и минимальные требования к инфраструктуре (прокладка кабеля и проч). По оценке экспертов, решение (система) геомониторинга объектов на многолетнемерзлых грунтах, построенное на передаче данных с датчиков по технологии LoRaWAN (IoT) на 30-50% дешевле любых проводных систем мониторинга и на 50-70% сокращает длительность процесса ее внедрения.
Внедрение системы геотехнического мониторинга в криолитозоне на предприятиях нефтегазовой отрасли
Серьезные вызовы ставит растепление многолетнемерзлых грунтов перед нефтегазовыми компаниями, основные производственные объекты которых находятся на Крайнем Севере России. Аварии, утечки и разливы вследствие потери устойчивости зданий и сооружений несут колоссальный ущерб экологии и значительные финансовые потери предприятиям нефтегазового сектора.
Достаточно вспомнить экологическую катастрофу с разливом дизельного топлива в Норильске в 2020 году вследствие осадки основания резервуара в процессе таяния многолетней мерзлоты. Причиной большинства деформаций элементов нефтегазовых объектов, чреватых авариями, является ослабление несущих конструкций. Опоры трубопроводов, ранее закрепленные в мерзлом грунте, также подвергаются деформации и коррозии из-за оседания грунта. Это также значительно увеличивает многомиллиардные расходы компаний на обслуживание инфраструктуры нефтегазодобычи в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.
Решение геотехнического мониторинга для суровых климатических условий арктической зоны компании «СМИС Эксперт» было успешно апробировано на опасных производственных объектах (вертикальных цилиндрических резервуарах для нефти и нефтепродуктов) Норильско-Таймырской энергетической компании (АО «НТЭК»), дочернего предприятия «Норникель».
Целью проекта стало обеспечение безаварийной эксплуатации опасных производственных объектов (вертикальные хранилища-резервуары аварийного дизельного топлива, здания противопожарной насосной станции) за счет организации непрерывного автоматизированного геомониторинга технического состояния оснований и фундаментов указанных объектов, находящихся в зоне ММП в Норильском регионе. В настоящее время «Норникель» масштабирует решение, приступив к созданию единой системы геомониторинга для всех своих основных промышленных объектов.
Внедрение решения «СМИС Эксперт» геотехнического мониторинга инженерных конструкций объектов, эксплуатируемых в арктической зоне ММП, позволяет предприятиям:
- организовать непрерывный дистанционный контроль деградационных процессов, осадок мерзлых грунтов, потери их несущей способности (вследствие процессов растепления, колебаний температуры деятельного слоя грунта, карста, солифлюкции, морозобойного растрескивания, пучения почв и проч.), осадки оснований и фундаментов, деформации конструктивных элементов зданий и сооружений, эксплуатируемых в криолитозоне;
- минимизировать риски аварий и чрезвычайных ситуаций (ЧС) за счет прогнозирования и своевременного выявления потенциально опасных деформаций и кренов основных несущих конструкций, способных привести к их повреждению, и как следствие, потере устойчивости и разрушению объекта;
- обеспечить безопасную эксплуатацию, экологическую безопасность и надежность работы промышленных объектов и распределенной инфраструктуры предприятий, находящихся в зоне сезонного протаивания многолетнемерзлых пород.
Решение (система) геомониторинга зданий и сооружений, эксплуатируемых в зоне многолетней мерзлоты, включает в себя:
– автоматизированные рабочие места операторов (АРМ);
– локальный сервер;
– антенно-фидерную сеть;
– датчики контроля изменения состояния инженерных (несущих) конструкций;
– кабельную сеть.
Ядром системы является специализированное программное обеспечение (программный комплекс) локального сервера сбора и обработки информации.
Источниками информации являются цифровые датчики, передающие в режиме реального времени данные с контролируемых точек объекта по протоколу LoRaWAN (IoT) при помощи радиоканала. В решении используются нижеследующие измерительные устройства:
- беспроводные двухкоординатные инклинометры c радиоинтерфейсом, отслеживающие вертикальные перемещения (осадки, просадки, подъемы), отклонения (угол наклона) по вертикали (крены), горизонтальные перемещения (сдвиги), углы поворота основания фундамента и основных элементов конструкции;
- цифровые термометрические косы c радиоинтерфейсом, размещаемые в геотехнических скважинах, которые позволяют контролировать по всей длине скважины изменения температуры вечномерзлого грунта, оттаивание которого может негативно влиять на состояние фундамента объекта;
- термогигрометры для контроля температурно-влажностного режима помещений внутри объекта и в основании фундамента, важного показателя состояния объекта.
Информация от датчиков поступает на базовые станции (шкаф автоматики), откуда данные считываются и обрабатываются программным обеспечением на локальном сервере и передаются далее:
- в дежурно-диспетчерскую службу промышленного объекта, где операторы в режиме реального времени могут контролировать состояние основных параметров его конструкционной безопасности;
- в централизованную информационную систему геотехнического мониторинга (для предприятий, контролирующих сеть своих территориально распределенных объектов).
В качестве пилотного проекта в нефтегазовой отрасли система геотехнического мониторинга показала свою эффективность. Компания «СМИС Эксперт» рассматривает свое техническое решение как межотраслевое и планирует в ближайшее время его активно масштабировать для промышленных предприятий различных отраслей, чьи владельцы и руководители заинтересованы во внедрении эффективных, адекватных по стоимости решений (систем) геотехнического мониторинга для контроля безопасности своих находящихся под угрозой производственных объектов и инфраструктуры, которые расположены в криолитозоне.
Задачи геомониторинга в атомной энергетике
Основная угроза на этапе эксплуатации атомных электростанций, построенных в северных районах сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП), - непредсказуемые изменения мерзлотно-гидрогеологических условий. Для обеспечения геотехнической и экологической безопасности АЭС необходима организация непрерывного геодезического и геотехнического мониторинга и контроля:
- изменений температурного режима горных пород, лежащих в основании фундаментов зданий и сооружений АЭС;
- формирования техногенных водоносных таликовых зон;
- состояния и распространения поверхностных и подземных вод в целях своевременного выявления потенциальных источников техногенного загрязнения.
Результаты геомониторинга могут быть использованы:
- для оперативного предупреждения развития опасных процессов в зоне ММП, влияющих на состояние несущих конструкций инженерных сооружений;
- для прогнозирования изменения мерзлотно-гидрогеологических условий, в том числе границ влияющей на фундаменты таликовой зоны в районе расположения АЭС,
- для разработки и реализации оперативных и долгосрочных мероприятий по предотвращению, снижению и ликвидации опасных природных и техногенных процессов
- для обеспечения геотехнической и экологической безопасности атомных электростанций в зоне многолетней мерзлоты.
Геомониторинг гидротехнических сооружений – контроль за состоянием причальных набережных
Одна из основных причин аварий, общая для всех гидротехнических портовых сооружений, построенных в условиях многолетней мерзлоты, это сезонное оттаивание многолетнемерзлых грунтов, которое приводит к неравномерным осадкам основания фундамента и/или свай, опор.
При организации геотехнического мониторинга конструкции причальных набережных, эксплуатируемых в криолитозоне, следует учитывать также дополнительные факторы появления деформаций фундамента сооружения вследствие:
1. Чередования еще на этапе строительства грунтов основания и обратной засыпки с различными физико-механическими свойствами. Сильнольдистые дисперсные грунты теряют свою несущую способность, постепенно переходя из мерзлого состояния в талое, сыпучие грунты - не теряют ее, оседая равномерно и быстро за счет хорошей дренирующей способности. Прочность глинистого грунта зависит от продолжительности действия нагрузки, а в грунтах, обладающих ползучестью, уменьшается со временем до длительной прочности. Таким образом, при эксплуатации гидротехнического объекта в основании оказываются грунты в различных сезонных состояниях, с разными модулями деформации, влажности, сроками стабилизации, что приводит к сложному балансу активного и пассивного давления, и в итоге - к неравномерной осадке основания.
2. Особенности криогенных процессов (солифлюкция, термокарст, термоабразия) в береговых примыканиях в условиях периодического промерзания и оттаивания скальных пород, слагающих ложа и берега водохранилищ.
3. Динамических и вибрационных техногенных воздействий от перерабатываемых и нерационально размещаемых грузов, работы перегрузочных механизмов, транспорта, которые передаются конструкциям через грунтовую среду. Отсутствие гидротехнического контроля за состоянием причальных набережных, нарушение условий теплообмена, несоблюдение правил технической эксплуатации гидротехнического объекта нередко приводит к возникновению аварийных ситуаций.
Геомониторинг автотранспортной инфраструктуры арктических регионов
Все объекты транспортной инфраструктуры Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ), возведенные на многолетней мерзлоте, к которым относятся автомобильные и железные дороги, аэродромы, здания, сооружения, существуют в условиях потенциальных угроз вследствие деградации многолетней мерзлоты.
Протяженность автомобильных дорог в арктических регионах составляет 11,6 тыс. км., на которых расположено 430 мостов и других искусственных сооружений. При слаборазвитом железнодорожном сообщении и узкой сезонности водных маршрутов автотранспорт в макрорегионе является по сути безальтернативным: более 80% всех жизненно необходимых грузов, в том числе продуктов питания, медикаментов и т.п. осуществляется автомобильным транспортом. В ключевом нефтегазодобывающем Ямало-Ненецком АО, а также слабо заселенном Чукотском АО автомобилями доставляется практически все, в том чисье промышленное оборудование, персонал.
Исключительным социально-экономическим значением автодорог и высокими объемами автотранспортных грузоперевозок в арктической зоне многолетней мерзлоты вызвано повышенное внимание к стабильности и устойчивости автодорожной инфраструктуры. Согласно Транспортной стратегии РФ до 2035 г., в 2023 – 2035 гг., капитальные федеральные инвестиции на поддержание развития дорожной инфраструктуры, ее устойчивости и снижение рисков разрушения под влиянием протаивания и деградации вечной мерзлоты составят в среднем не менее 21 млрд руб. в год.
Разработанный «СМИС Эксперт» вариант решения (системы) геомониторинга состояния эксплуатируемых автомобильных дорог и дорожной инфраструктуры (мосты, тоннели), в арктической зоне многолетней мерзлоты представляет собой аппаратно-программный комплекс для контроля, ранней диагностики процессов деградации многолетнемерзлых пород (ММП) на проблемных участках северных автомобильных дорог, угрожающих их нормальной эксплуатации:
- процессы пучения и просадок грунтов вследствие таяния мерзлоты,
- контроль сползания оттаивающих грунтов на склонах,
- образования наледей,
- обвал горной породы.
Источниками данных системы являются различные типы датчиков для измерения поверхностной деформации твердого грунта, параметров и динамики углубления трещин и горизонтальных смещений породы: экстензометры, трещиномеры, инклинометры.
Система геотехнического мониторинга автодорог в криолитозоне позволяет:
- фиксировать параметры технического состояния проблемных участков и собирать динамические данные, которые могут привести к возникновению просадок грунта, оползней, обвалов породы;
- обрабатывать и передавать данные эксплуатирующим дорогу дорожным службам для принятия опережающих меры оперативного реагирования (ограничение движения по трассе, установление ограждений укрепление/разбор/демонтаж с последующей реконструкцией проблемных участков дороги).
Очевидно, что предприятия различных отраслей испытывают сегодня сильную потребность в новых технологиях геотехнического мониторинга состояния производственных объектов в условиях тающей мерзлоты, которые помогут повысить безопасность и эффективность бизнеса, максимально снизив при этом затраты на внедрение таких решений.
Теперь, когда из-за санкций судьба инвестиционной составляющей бюджета многих компаний оказалась под вопросом, эта проблема обрела особую актуальность. В то же время нужно понимать, что эти вложения носят стратегический характер, и технологическое отставание в этой отрасли делает невозможным развитие за полярным кругом.