Обеспечение качества строительных конструкций из полимерных композиционных материалов для климатических условий арктического и субарктического поясов

Поддержание объемов добычи нефтегазовым комплексом страны осуществляется за счет постепенной миграции добывающих предприятий в регионы, расположенные на территории Арктического и Субарктического климатических поясов. Особенностью этих регионов являются наличие длительного – от двухсот и более суток снежного покрова, экстремально низкие климатические температуры, достигающие минус 600С, сложный геологический состав почв – верхний сезонноталый слой отличается повышенным уровнем засоленности и кислотности, нижний – многолетнемерзлые грунты, что резко снижает число методов строительства в этих регионах. Минимальная численность населения еще более усугубляет сложности строительных работ при обустройстве новых месторождений. Работа нефтедобывающих компаний в этих регионах, направленная на поиск и разработку новых перспективных месторождений, ограничивается логистическими и экологическими особенностями – отсутствием транспортной инфраструктуры и необходимостью бережного отношения к трудно восстановимым природным ресурсам Севера при прокладке новых постоянных и временных дорог к новым месторождениям, финансово-экономическими проблемами – резким увеличением расходов на логистику и обустройство новых месторождений, отсутствием местных квалифицированных кадров [1,2].

Сложность и трудоемкость доставки оборудования и строительных конструкций к местам обустраиваемых месторождений выдвигает ряд жёстких требований к материалам, из которых оно изготавливается. К этим требованиям относятся - срок службы, который должен достигать 30 и более лет, высокая надежность и работоспособность при экстремально низких температурах, ремонтопригодность, высокая коррозионная стойкость в условиях добычи коррозионно-агрессивного сырья, минимизация массы доставляемых сборочных единиц [3,4].

Решение данной проблемы может быть получено при постепенном замещении металлических материалов и конструкций на полимерные композиционные материалы (ПКМ) и конструкции. Однако до настоящего времени практически полностью отсутствует нормативно-техническая документация, которая бы регламентировала условия использования ПКМ в строительных конструкциях, размещенных в зоне холодного климата Арктической и Субарктической зон. Отсутствие нормативной базы связано, в том числе, с недостаточным объемом данных об изменении свойств и деградации структуры ПКМ в ходе длительной эксплуатации в условиях низких температур, при многократных переходах температуры через точку замерзания воды, что характерно для условий Арктики [5]. В соответствии с «Руководством по инженерно-техническому обследованию, оценке качества и надежности строительных конструкций зданий и сооружений (РТМ 1652-9-89)» для разрешения возможности использования ПКМ необходимо получить информацию по ряду вопросов, к числу которых относятся анализ состояния и несущей способности конструкций в ходе эксплуатации, выявление причин, которые могут привести к их повреждениям и деформации, определить ресурс конструкций и условия, которые могут привести к его снижению, оценить возможность увеличения эксплуатационных нагрузок от различного технологического оборудования и изменения конструкции сооружения.

Ответы на данные вопросы могут быть получены при разработке системы управления качеством ПКМ-конструкций – то есть действий, осуществляемых при создании и эксплуатации или потреблении продукции, в целях установления, обеспечения и поддержания необходимого уровня ее качества (ГОСТ 15467–79). Обычно, процесс управления качеством таких конструкций осуществляется путем обоснования сроков и условий безопасной эксплуатации используемых в конструкциях материалов методом климатической квалификации [3,6]. Этот метод представляет собой комплексное исследование материалов в лабораторных условиях и на климатических полигонах, расположенных в тех климатических зонах, где планируется их эксплуатация и включает в себя исследования деградации комплекса механических свойств под воздействием внешних факторов, в том числе длительных климатических воздействий влажного и соленого воздуха, низких и повышенных температур, коррозионно-агрессивных сред и т.п.

В представленном исследовании показаны результаты климатической квалификации ПКМ, используемых в строительных конструкциях, предназначенных для обустройства месторождений нефти и газа в зоне ММГ, где к настоящему времени добывается большая часть нефти и газа. В Российской Федерации зона ММГ занимает значительные территории, распространяющиеся от берегов Белого моря до Тихого океана, и располагается на глубине от 0,5 до 4,5 м, при толщине слоя от нескольких метров до 1,5 км. Главными факторами, определяющими надежность эксплуатации оборудования в условиях ММГ, которые должны учитываться при их проектировании являются глубина, соленость и закисленность деятельного (сезонно-талого) слоя грунта – то есть грунта, который расположен у поверхности земли – выше зоны ММГ и ежегодно оттаивает в летние месяцы года [7,8].

К числу основных строительных объектов, возводимых при обустройстве месторождений наиболее ответственными являются промысловые газо- и нефтепроводы, компрессорные и насосные станции, которые при обустройстве площадок добычи и первичной переработки добываемого сырья месторождений монтируются в наземном исполнении и устанавливаются на свайные фундаменты [9]. К числу преимуществ использования свайных фундаментов относятся относительно небольшая стоимость их строительства, значительная глубина установки свай, что предотвращает процессы морозного пучения и возникающей при этом неравномерной осадки зданий и сооружений, возможность ведения строительных работ в зимние месяцы. Ежегодно в строительных работах при обустройстве новых месторождений нефти и газа используется от нескольких десятков до сотни тысяч штук свай различного типа [10,11], поэтому, в работе, в качестве базовой строительной конструкции была выбрана буроопускная ПКМ-свая, возможность использования которых при обустройстве месторождений в настоящее время активно обсуждается.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Первой решаемой задачей в работе стал анализ видов и последствий потенциальных несоответствий или FMEA-анализ. Для отработки всех возможных факторов риска и их последствий были построены таблицы FMEA-анализа (они же протоколы исследования) [20]. При этом метод FMEA- анализа был доработан, а именно потребовалось учитывать дополнительный параметр влияющий на расчет приоритетного числа риска – опасность разрушения. Считаю, что данный параметр необходимо учитывать при любых исследований рисков, связанных с внедрением новых материалов. Результаты проведенных исследований сведем в таблицы 1-4.

Таблица 1. Оценка значимости последствий