Взаимодействие почвы и подземных трубопроводов

Актуальность. В последние годы антропогенное воздействие на почву, влекущее за собой разнообразные изменения ее свойств, становится все жестче. Особенно расширяются влияния на почву в результате прокладки трубопроводов (нефтяных, газовых и пр.). Возникающее при этом взаимодействие почвы и металла трубы часто становится непосредственной причиной аварий трубопроводов и загрязнения окружающей среды. Именно этим обусловлена необходимость исследования характера и закономерностей подобных взаимодействий.

Актуальность данной работы определяется возросшими масштабами экономических и экологических катастроф, обусловленных длительной эксплуатацией протяженных трубопроводных систем при отсутствии достоверных методов оценки взаимного влияния в системе «почватрубопровод».

С точки зрения теории представляется актуальным изучение скорости восстановления свойств нарушенной почвы до равновесного состояния, а в отдельных случаях близкого к свойствам фоновой почвы.

Эти исследования имеют большое практическое и экологическое значение. Так, при аварийном отказе газопровода выгорает вся растительность в радиусе -150 метров, а почва на глубину около 5 сантиметров становится однородной остекленевшей массой. По ориентировочной оценке экспертов одной из наиболее крупных нефтегазовых компаний, прямые затраты, связанные с коррозией, составляют порядка 5% от общих затрат на эксплуатацию. Косвенные издержки, связанные с прекращением эксплуатации трубопровода, потерями продукта и загрязнением окружающей среды (нефтепродукты), могут превысить эти затраты в несколько раз. Разработка современной стратегии борьбы с коррозией является, таким образом, не только экономической, но и экологической необходимостью.

Цель работы: изучить изменения почвы под влиянием трубопроводов и влияние почвы на возникновение коррозионных дефектов на трубопроводах.

Задачи исследования.

1. Установить закономерности почвенных свойств для выявления участков трубопровода, подверженных коррозии.

2. Определить критерии для прогнозирования типа коррозионного процесса (локальная язвенная коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением — КРН) на трубопроводе.

3. Определить критерии влияния системы «почва — трубопровод» на изменение почв и их свойств в окружающей экосистеме.

4. Оценить условия функционирования сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) в местах повреждений трубопровода.

Научная новизна.

На основании анализа коррозионных повреждений на трубопроводах (повреждение изоляции, локальная и питтинговая коррозия, КРН) установлено, что вокруг трубопровода образуются участки почвы с благоприятными условиями для развития локальных коррозионных дефектов. Доказано, что наибольшее количество повреждений концентрируется на границах почвенных контуров. Показано, что большинство коррозионных дефектов трубы приурочено к участкам почвенного покрова, на которых чередуется сильное периодическое переувлажнение и иссушение. В свою очередь, под влиянием трубопровода (изменение водного, температурного и газового режимов и т. п.) происходит изменение почвы и почвенных процессов. Под нижней образующей трубопровода формируется рыхлый почвенный слой, часто с более высокой температурой и повышенной влажностью, что приводит к развитию анаэробной микрофлоры, снижению окислительно-восстановительного потенциала, образованию сероводорода.

Особый интерес представляет скорость восстановления свойств нарушенной почвы до равновесного состояния, а в отдельных случаях близкого к свойствам фоновой почвы.

Полученные в процессе исследования результаты, позволяют определять участки трубопроводов, на которых с высокой вероятностью возможно развитие интенсивных коррозионных процессов, приводящих к аварийным разрушениям трубопроводов. Показана перспективность электрического зондирования для выявления почвенных зон со свойствами, способствующими развитию коррозионных процессов. Данный метод может быть использован в геологических изысканиях при проектировании трубопроводных систем.

Определен основной критерий оценки системы «почва — трубопровод» для прогнозирования изменения свойств почв в окружающей экосистеме.

Автор диссертации приносит глубокую благодарность коллективу кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ и ООО НТЦ «Транскор-К» за помощь в исследовательской работе.

ВЫВОДЫ:

1. В результате взаимодействия почвы и трубопровода формируется более гидроморфная почва, что проявляется в увеличении содержания соединений двухвалентного железа, увеличении р0, снижении содержания С%, снижении окислительно-восстановительного потенциала. В почве над трубой меняется состав соединений железа. Содержание соединений аморфного железа близко к контролю, а в прилегающем к трубе слое, 30 см меняется в сторону увеличения количества соединений двухвалентного железа, площадь дублетов Fe3+ сокращается на 20% (по данным ЯГР). Возникающий при заложении трубопровода, по нижней образующей, дренаж способствует повышению влажности вокруг трубы, изменению водного и газового режимов.

2. При длительной (30-летней) эксплуатации трубопровода формируется особый водный и газовый режим. Содержание гумуса около трубы часто ниже чем в фоновой почве, при этом содержание гумуса в верхнем горизонте за это время не достигает фоновых значений. Это определяется тем, что в первые несколько лет после заложения трубопровода, когда почва сильно нарушена, и растительный покров ещё не восстановился.

3. Чем меньше различие почвенных свойств нарушенной почвы и фоновой, тем больше вероятность возникновения коррозионного поражения трубопровода. Можно предположить, что разница естественных электрических полей приводит к индуцированию тока, который возникает на границе разных почв.

4. Измеряемые параметры, Fe0, С, Eh, ра, ЯГР не дают пока определить дефект на трубопроводе без заложения траншеи, но дают представление о процессах.

5. Из измеренных параметров (Xt р, С%, Fe0, состав газов) наиболее информативным оказался использованный метод электрического зондирования, позволяющий точно определить, где находится трубопровод и указать его местоположение. Также метод электрического зондирования позволяет на этапе проектирования строительства трубопровода выявить участки с повышенной влажностью и засоленностью, которые на этапе эксплуатации могут оказаться наиболее коррозионно опасными.

6. Дефекты связаны с местами, где проходит граница почв, сильно меняющийся водный и газовый режим (периодическое увлажнениеиссушение), высокое содержание солей.

7. Влияние оказывает рельеф местности, в некоторых местах происходит зажатие трубы, когда рядом почва может быть эродирована ветровой или водной эрозией (характерно для пустынных почв), что создаёт дополнительные напряжения в металле и может стимулировать коррозию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Физические профили нарушенной и контрольной, ненарушенной, почвы сильно отличаются. Это отличие выражается в мощности отдельных горизонтов, наличии погребённых горизонтов. Меняются также другие свойства почв: плотность, водный и температурный режим почв, их окислительно-восстановительный потенциал, увеличивается количество двухвалентного железа, уменьшается магнитная восприимчивость почв.

Если сравнивать почвенные условия в шурфах с повреждениями трубопровода и без них, то получается, что в шурфах с повреждениями больше наблюдалось сходство нарушенной почвы с контрольной, ненарушенной фоновой, на участке магистрального газопровода «Челябинск-Петровск» (южный Урал). Также характерным отличием является то, что в местах, где были обнаружены дефекты, в течение года сильно меняется режим увлажнения, периоды сильного переувлажнения сменяются иссушением. Неравномерное формирование бровки на поверхности почвы непосредственно над газопроводом может вызвать изменения в газовом и водном режиме, следовательно, привести в возникновению неоднородности почв. Поскольку происходит нарушение почвенного профиля то, соответственно, меняется плотность сложения во всём профиле по сравнению с почвой над трубой.

В более рыхлой почве около трубы больше вероятность возникновения застойного режима, так как эта зона является, по сути, дренажём.

Переувлажнение приводит к некоторым изменениям в составе почвы:

1. Магнитная восприимчивость (X) на порядок различна. В верхней частив в нарушенной почве увеличивается (связано с выходом на поверхность, при засыпке трубопровода, горизонтов содержащих больше ферромагнитных минералов), а около трубы ведёт себя по разному. По этому точная закономерность не найдена.

2. Количественно содержание общего углерода и гумуса уменьшено и при длительном функционировании, на глубине горизонтов В и ВС (в среднем 80−110см), до фонового не восстанавливается. Резкая смена условий водного и газового режимов может приводить к его более быстрой минерализации. Некоторые профильные различия могут быть вызваны не равномерным перемешиванием горизонтов при засыпке трубопровода, а также непосредственным влиянием трубопровода, также сменой водного и температурного режимов, так как действующие газопроводы и нефтепроводы имеют температуру от 15 до 30 °C, а иногда и выше.

3. По данным мессбауэровсой (ЯГР) спектроскопии происходят изменения в составе соединений почвенного железа. Дублетный характер спектров указывает на парамагнитное состояние присутствующих в образце железосодержащих минералов и увеличение количества минералов, содержащих двухвалентное железо.

Принимая величины вероятности резонансного эффекта равными, по вычисленным площадям дублетов было оценено распределение железа между присутствующими фазами. Параметры дублетов как Д1 для обоих образцов, так и Д2 равны, находятся в рамках трехвалентного железа шестерной координации. Они близки к параметрам некоторых гидроксидов железа (ферригидрит, суперпарамагнитный гетит), но полностью не совпадают. Можно отметить, что дублет Д1 ближе к суперпарамагнитному гетиту, а Д2 к ферригидриту. Дублет ДЗ от Fe2+ в спектре образца Т4/9 не был идентифицирован. В мессбауэровском спектре образца К4/9, снятом в расширенном диапазоне, были, кроме того, отмечены следы линий магнитного сверхтонкого расщепления, которые присущи гематиту. Коэффициент окисления железа для образца К4/9 равный 1 и для Т4/3 равный 0,78 указывают на то, что окислительно-восстановительная обстановка их существования различна. В среднем аморфное железо (по Тамму) близко к контролю, а в прилегающем к трубе слое, около 10 см, резко меняется. Видимо, механическое нарушение поверхностного слоя способствует более свободному газообмену и приводит к большей степени окисления железа с образованием гематита.