20 сентября 2021

Контроль за надежностью

Система геотехнического мониторинга, которую «Норникель» создает в Норильске, в перспективе охватит не только промышленные объекты, но и жилую инфраструктуру города.

Поделиться в социальных сетях

«Норникель» радикально перестраивает систему геотехнического мониторинга за фундаментами зданий и сооружений в Норильском промышленном районе (НПР). В перспективе она охватит не только все объекты компании, но и жилую инфраструктуру города. Для огромного и изолированного от «большой земли» НПР подобная система наблюдений создается впервые в стране, из близких технических аналогов в «Норникеле» называют информационно-диагностические модули, работающие на гидротехнических сооружениях некоторых крупных ГЭС. Но в Норильске основной упор мониторинга будет направлен на отслеживание температурных изменений в «многолетнемерзлых грунтах». «Такой мониторинг позволит осуществлять безаварийную эксплуатацию объектов, своевременно выявлять потенциально опасные явления и процессы, способные привести к повреждению зданий и сооружений или их отдельных элементов», – объясняют в компании. 

Подобными наблюдениями в «Норникеле» занимались и ранее, но сейчас процессы выведут на новый уровень: обновленный диспетчерский пункт контроля полностью автоматизируют и переведут в «цифру», и под одним колпаком объединит данные не только геотехнических, но и геодезических замеров, а также спутниковые снимки и наблюдения за температурно-влажностным режимом технических подполий. Пилотный проект системы уже запущен на хранилищах аварийного запаса дизельного топлива теплоэлектроцентралей Норильско-Таймырской энергетической компании (АО «НТЭК», дочернее предприятие «Норникеля»), он обошелся компании в 50,5 млн рублей. На восьми резервуарах и трех насосных станциях дизтоплива Норильских ТЭЦ-1, ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 в ранее пробуренных термических скважинах было установлено около 40 термокос, которые в онлайн-режиме отслеживают температурное состояние грунтов оснований этих объектов. В дополнение к термокосам были установлены и новые для НПР датчики – инклинометры, которые реагируют на отклонения железобетонных конструкций фундаментов (по принципу гироскопа измеряют углы наклона различных объектов относительно гравитационного поля Земли). А также акселерометры, позволяющие отслеживать продольные и поперечные колебания строительных конструкций (сами колебания могут зависеть как от подвижек грунта, так и от поведения самих конструкций уже на поверхности). 

Цель после прошлогоднего разлива на Норильской ТЭЦ-3 очевидна – обеспечить постоянное и автоматизированное наблюдение за температурой многолетнемерзлых грунтов оснований и деформационным поведением фундаментов этих сооружений. Напомним, по заключению независимой консалтинговой компании Environmental Resources Management (ERM), одной из наиболее вероятных причин разрушения фундамента резервуара №5, вкупе со строительными ошибками, могло стать и «повышение температуры вечной мерзлоты». «Уменьшение промерзания и несущей способности грунтов» сделало «свайный фундамент», на которых в начале 1980-х разместили фундамент самой емкости, «подверженными возможному быстрому оседанию и подвижности», заключили в ERM. 

«По данным ученых, грунтовые основания объектов в процессе их эксплуатации в случае повышения температуры могут существенно измениться: может произойти снижение несущей способности, которое, в свою очередь, увеличивает вероятность аварийных ситуаций. Поэтому внедрение автоматизированной системы геотехнического мониторинга для нас очень важно. Она позволит минимизировать риски аварийных ситуаций, соблюдать экологическую безопасность и обеспечивать надежность работы на объектах компании», –прокомментировал запуск пилота первый заместитель генерального директора АО «НТЭК» Дмитрий Литвинов.

Норникель
Пилотный проект системы геотехнического мониторинга запустили на хранилищах аварийного запаса дизельного топлива трех норильских ТЭЦ.

Сейчас система геотехнического мониторинга устанавливается и на других объектах на территории Норильского муниципального района (включает не только центральную часть, но также Талнах и Кайеркан) и портовой Дудинки. До конца этого года планируется оснастить приборами 150 различных объектов «Норникеля». Для этого с начала этого года было пробурено 375 новых температурных скважин, а также восстановлены ранее существовавшие (общий парк таких термотрубок сейчас превышает 2 тыс. единиц, в советские годы доходило и до 5 тыс.). Все их также планируется оснастить около 470 термокосами (это только в рамках первой очереди), а на фундаментные плиты – установить около 750 инклинометров, чтобы иметь возможность оперативно отслеживать нештатные деформации их оснований. 

Акселерометры пока работают в режиме эксперимента – их поместили на насосной ХАДТ Норильской ТЭЦ-3, а также на Дворце культуры Норильска. А на одном из топливных резервуаров Норильской ТЭЦ-2 установили еще один прибор, отслеживающий уровень колебаний грунтовых вод, «которые как раз распространены возле этого сооружения». «Это во многом новые для нас технологии, мы их только осваиваем. Нужно, чтобы датчики поработали, накопили данные, потом будем решать по дальнейшему внедрению», - рассказал «Кислород.ЛАЙФ» заместитель главного инженера Заполярного филиала «Норникеля» Антон Прямицкий.

По его словам, «геотехнический мониторинг, который позволяет наблюдать за состоянием грунтов оснований зданий и сооружений, а также их фундаментами, в условиях Норильска  – это, можно сказать, тот самый мерзлотный надзор, о воссоздании которого много говорилось в последнее время. В настоящее время мы запускаем систему на объектах, построенных на многолетнемерзлых грунтах, которые поддерживаются в мерзлом состоянии. Основной упор в пилотном проекте – именно на температурные наблюдения. Нам нужно отслеживать состояние отрицательных температур грунтов, и наблюдать за деформациями фундаментов, которые могут быть вызваны подвижками грунтов из-за растеплений. Но в дальнейшем данная система позволит отслеживать состояние и строительных конструкций, и много других параметров». 

Все эти датчики – в принципе, не какие-то новинки, в том числе и для Норильска. Так, термометрические косы – это, по сути, те же самые градусники, которые исторически использовали в Норильске для замеров в «вечной мерзлоте». «Только в классические температурные трубки опускали переносные термокосы, которые, во-первых, довольно неудобные, во-вторых, их весьма сложно и трудоемко устанавливать, в-третьих, необходимо много времени, чтобы они отстоялись», - объясняет Прямицкий. Современные же термокосы состоят из цепочки цифровых преобразователей температуры, соединенных последовательно отрезками электрического кабеля (длина измерительного участка может доходить до 100 метров), они обладают повышенной точностью и надежностью, и способны в непрерывном режиме вести многоточечный контроль распределения температуры вдоль протяженного объекта, например, той самой термометрической скважины – металлической трубы, «врытой» в грунт на определенную глубину. 

До установки автоматизированной системы контроля мониторинг осуществлялся в ручном режиме. В структуре некогда мощного Управления по надзору за состоянием оснований и фундаментов (УНСОФ) Норильского комбината в советское время работало очень много специалистов, которые ходили по объектам с ртутными термометрами, опускали их в пробуренные скважины и записывали показатели в тетрадку. Понятно, что периодичность таких замеров была достаточно редкой (один-два раза в квартал). «Новые термокосы мы устанавливаем навсегда, чтобы они в постоянном режиме передавали показания в единую систему – для того чтобы мы могли в режиме онлайн мониторить каждую термоскважину и знать, какая температура в конкретный момент времени фиксируется на каждом метре ее глубины», - объясняет инженер.

Стандартная глубина такой скважины в Норильске – 15 метров, но есть и более (до 20 метров), и менее глубокие термотрубки (до 5 метров). Все зависит от типа фундамента и грунтов оснований под ним, чаще всего – от того, откуда начинается скальное основание. Например, температурная трубка под главным офисом Заполярного филиала «Норникеля» на знаменитой Гвардейской площади Норильска заглублена до 19 метров. «Есть дневная поверхность, дальше обычно идут четвертичные грунты, которые находятся в мерзлом состоянии. И потом начинается скала. Здание по конструктивным особенностям расположено, например, на висячих сваях, соответственно, нам нужно пробурить термометрическую скважину ниже подошвы сваи на 3-5 метров. В случае свай-стоек – термотрубки забуриваются до скальных грунтов, так как бурить дальше, в саму скалу, уже нецелесообразно», - говорит Прямицкий.

Вручную – градусниками и гигрометрами – ранее велись наблюдения и за температурно-влажностным режимом в технических подпольях зданий, построенных по т.н. первому принципу (в соответствии с СП-25 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»). Теперь эти наблюдения также будут автоматизированы. «Этот мониторинг необходим для того, чтобы оценивать работоспособность систем естественной и принудительной вентиляции, чтобы в зимнее время осуществлялось промораживание грунтов, а в летние месяцы они не растеплялись. Любые отклонения от нормативов могут стать звоночком, что в конкретном техподполье что-то не так. Кроме того, можно отслеживать и возникновение проблем на различных коммуникациях – тепловых, канализационных: если трубы в техподполье лопнут, система оперативно это заметит и автоматически направит ремонтную бригаду для устранения утечек», – объясняет инженер.

Норникель
До установки автоматизированной системы контроля мониторинг осуществлялся в ручном режиме.

Центр мониторинга зданий и сооружений «Норникеля», образованный после расформирования УНСОФ, по факту, в большей степени занимался геодезическим мониторингом зданий и сооружений. Он тоже позволяет своевременно выявлять критичные величины деформаций и даже устанавливать причины их возникновения. Такие наблюдения – требование закона о промышленной безопасности. «Но точность геодезического мониторинга на порядок хуже, чем у геотехнического. Кроме того, автоматизировать эти наблюдения вряд ли получится – поэтому вести мы их продолжим, только с использованием более современного оборудования: высокоточных тахеометров и цифровых нивелиров, - говорит Антон Прямицкий. – Параллельно с этим совершенствуем геотехнический мониторинг – максимально его автоматизируем, сокращаем объем ручных замеров, чтобы минимизировать ошибки при снятии показаний и при обработке информации. И добавляем специальные сигнализаторы – те же инклинометры, которые своевременно покажут нам начало опасных деформаций на фундаментах». 

Вся информация от современных датчиков, как уже было сказано выше, теперь поступает в центр сбора информации, где операторы в режиме реального времени могут контролировать состояние основных параметров безопасности выбранных объектов. В дальнейшем все это интегрируют в общий комплекс сбора и анализа параметров состояния всех сооружений в НПР под названием «информационно-диагностическая система безопасности», которая «в режиме онлайн будет собирать, обрабатывать и сопоставлять данные с критериями безопасности, и в случае выявления потенциально опасных изменений своевременно об этом сигнализировать, что существенно сократит временные затраты на оперативное реагирование», говорит Прямицкий.

И специально добавляет: «Наша цель – начинать бороться с опасными процессами не в тот момент, когда они себя полностью проявили и то же здание, например, перешло в аварийное состояние, а заблаговременно. Если у нас, например, сваи-стойки вморожены в вечную мерзлоту, то лучше поддерживать многолетнемерзлые грунты в твердомерзлом состоянии, чем потом пытаться их замораживать после растепления. Не всегда оттаявший грунт можно в принципе заморозить обратно, да и не всегда это эффективно. Новая система поможет нам срабатывать на опережение».

Интересно, что хотя одна из задач новой системы – снизить влияние на мониторинг пресловутого человеческого фактора, полностью от визуальных наблюдений в «Норникеле» отказываться не собираются: «Персонал будет все равно ходить по точкам и отслеживать состояние зданий и сооружений «на глаз», потому что никакая, даже самая совершенная, видеокамера не заменит взгляд опытного сотрудника. Только он сможет выявить проявления опасных процессов, которые не считает ни один из приборов». 

В перспективе в единую систему войдут и данные спутникового мониторинга. Этот проект реализуется «Норникелем» с прошлого года совместно с компанией «Совзонд», которая использует параметры европейского оператора спутников Sentinel. «Эти спутники в различных диапазонах выполняют замеры квадратов территории НПР размером 40 на 40 километров, и при помощи метода интерферометрии отправляет радиосигнал, который отражается от объектов на Земле. Зная длину волны, скорость этого отражения и точное положение спутника, можно определить вероятные деформации зданий и сооружений. Однако спутники могут выполнять замеры только в бесснежный период. Для Норильска это два цикла: июнь и конец августа – начало сентября. Поэтому эти данные будем сопоставлять с замерами «на земле». Даже если спутники не смогут выдавать полноценные высокоточные результаты, планируем с их помощь выполнять площадное сканирование, для выявления опасных процессов на крупных территориях». 

Совершенствование мерзлотного мониторинга в условиях нарастающих климатических изменений в Арктике отвечает не только бизнес-интересам «Норникеля», как крупнейшего индустриального игрока в Арктической зоне РФ, но и становится вопросом чуть ли не выживания на данной территории. Неудивительно, что исследованиями вечномерзлых пород на застроенных территориях снова начал заниматься Норильский государственный индустриальный институт, только что ставший Заполярным университетом (там была создана мерзлотная лаборатория), а параллельно с участием в Большой Норильской экспедиции – и профильные институты СОРАН. В ближайшее время при поддержке «Норникеля» на территории Таймыра планируется организовать полигоны (вне зоны застройки, чтобы исключить влияние техногенных и антропогенных факторов), на которых будет идти постоянный мониторинг и за «фоновым» состоянием многолетнемерзлых грунтов. «Это позволит понимать, что происходит в естественных природных условиях, и оценить риски, связанные с глобальным потеплением, о котором сейчас много говорят», - говорит Прямицкий. Не исключено, что в будущем наука сможет предложить бизнесу модели прогнозирования температурных изменений на «вечной мерзлоте».

Норникель
«Задача мониторинга – начинать бороться с опасными процессами не в тот момент, когда они себя полностью проявили и то же здание, например, перешло в аварийное состояние, а заблаговременно».
При правильной эксплуатации
При правильной эксплуатации

Главное условие надежности свайного фундамента на вечной мерзлоте – это сохранение самой мерзлоты. «Норникель» воссоздает мерзлотный мониторинг, а строительная наука – возвращается на Таймыр.

Растепление дефектов строительства
Растепление дефектов строительства

Независимый консультант ERM назвал таяние вечной мерзлоты причиной разлива дизтоплива из резервуара Норильской ТЭЦ-3. Для предотвращения таких инцидентов «Норникелю» рекомендовано усилить риск-менеджмент и внедрить мерзлотный мониторинг.

Александр Попов Учредитель и шеф-редактор «Кислород.ЛАЙФ»
Если вам понравилась статья, поддержите проект