УДК 622.692.4.:076:620.193/.197
DOI: 10.24887/0028-2448-2025-2-11-11
Нефтяное хозяйство

Анализ факторов, влияющих на эффективность защиты противокоррозионных покрытий трубопроводов от механических повреждений

И. И. Шапорин¹, Г. Г. Васильев², д.т.н.

¹ ООО «БТ СВАП», Москва, Россия
² РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, Москва, Россия

Аннотация

Для защиты трубопроводов от внешних механических воздействий в настоящее время используется множество различных вариантов противокоррозионных покрытий. При выборе защитного покрытия, требуемого для конкретных условий прокладки, разработчиками учитывается значительное число переменных факторов, влияющих на безопасность трубопровода и обеспечивающих надежность защитной конструкции на всех этапах его строительства и эксплуатации.

Используемые на практике альтернативные защитные конструкции изготавливаются из различных материалов и по своим прочностным характеристикам предназначены для решения задач защиты как локальных частей трубопровода, так и трубопровода в целом, включая зоны стыковых соединений. Для получения проектных характеристик такие конструкции требуют использования специализированных технологий нанесения покрытия.

При этом в отрасли отсутствует систематизация характеристик, которыми должны обладать защитные покрытия, чтобы гарантированно компенсировать факторы внешнего воздействия на трубопровод. В статье приведен анализ факторов, влияющих на эффективность защиты противокоррозионного покрытия, и предложен алгоритм проведения исследований различных вариантов защиты трубопровода, основанный на факторном сравнении параметров эффективности с использованием диаграммы Исикавы. Для систематизации характеристик защитных покрытий были выделены наиболее значимые проблемы в системе защиты трубопроводов от механических воздействий.

Ключевые слова: трубопровод, защита, защитное покрытие, факторное сравнение, диаграмма Исикавы, варианты защиты, прочность защитного покрытия, экономическая эффективность, надежность

Введение

За последние годы требования к целостности трубопроводов на всех стадиях их жизненного цикла существенно возросли из-за увеличения диаметра и протяженности линейной части газо- и нефтепроводов, повышения внутреннего рабочего давления, необходимости предотвращения негативных воздействий на окружающую среду. В связи с этим на практике осуществляются постоянный поиск и разработка новых эффективных методов защиты трубопроводов от механических воздействий.

При этом в отрасли отсутствует систематизация требуемых характеристик защитных покрытий, которыми они должны обладать для компенсации факторов внешнего воздействия на трубопровод. Для корректного сравнения показателей эффективности защитных покрытий необходимо наличие универсальных по применению научно обоснованных методов испытаний свойств защитных покрытий и стандартизированных методик оценки их работоспособности. На практике для этих целей в большинстве случаев используются технические условия (ТУ) и стандарты предприятий.

Разработанные защитные покрытия трубопроводов, представляющие собой сложные полимерные и композитные системы, способны выдерживать существенные внешние воздействия, но наличие различных методик определения прочностных характеристик и защитных свойств покрытий требует принятия управленческих решений при выборе конкретного покрытия. При этом такие решения в основном базируются на экспертных оценках возможности внешних покрытий.

Факторы, влияющие на эффективность защитных покрытий

На способность защитных покрытий трубопроводов противодействовать механическим повреждениям существенно влияют следующие показатели:

прочность;
работоспособность в различных условиях эксплуатации;
надежность;
технологичность изготовления и применения;
экономическая эффективность;
дополнительные ограничения в области применения.

Эти показатели учитывались при систематизации характеристик защитных покрытий в системе защиты трубопроводов от механических воздействий. Все они были проранжированы методом простой ранжировки, когда наибольшая значимость принимается у варианта с наименьшим рейтингом, а для анализа и отображения потенциальных причин возникновения конкретной проблемы использовалась диаграмма Исикавы (рис. 1).

Рис. 1. Визуализация причин, определяющих эффективность защитных покрытий

Для каждой основной проблемы на диаграмме представлены формирующие ее компоненты. Несмотря на то, что все указанные факторы действуют в совокупности, рассмотрение их поэлементного возможного влияния на защиту поверхности трубопровода позволяет конкретизировать требования как к конкретному показателю, так и к их совокупности.

Прочностные характеристики защитных покрытий

Главным свойством покрытий для защиты трубопроводов от механических воздействий является прочность. Ее достаточность в основном оценивается сопоставлением прочностных параметров R_f, оговоренных в ТУ или стандартах предприятий, с расчетными воздействиями на трубы |R_r|, определенными в процессе проектирования:

|R_r| ≤ R_f

Требования к прочностным параметрам при изготовлении защитных покрытий, как правило, устанавливаются либо отраслевыми методиками нефтегазовых компаний, либо (наиболее часто) по нормативным документам предприятий-изготовителей защитных покрытий (ТУ, СТО). Достоверность заявленных требований к защитным покрытиям обеспечивается результатами заводских испытаний (рис. 2).

Рис. 2. Конструкция стенда для испытания на ударную прочность (а) и результат испытаний покрытия на удар (б). После удара молотом массой 4,5 т. Вид без оболочки. Разрушение полностью отсутствует.

Исходя из сценариев, моделирующих величины внешних воздействий, которые могут происходить на протяжении всего жизненного цикла трубопровода, требуемые прочностные свойства защитных покрытий необходимо определять по следующим характеристикам:

cтойкость к статическому продавливанию (прочность на сжатие);
ударная стойкость;
сопротивление проколу;
сопротивление истиранию;
сопротивление продиру (прорезанию);
стойкость к изгибающим нагрузкам.

Применительно к композитным защитным бетонным покрытиям трубопроводов эти показатели определяются через прочность материала покрытия на сжатие под действием статического нагружения, сопротивление защитного покрытия проколу при взаимодействии покрытия с точечными инденторами (острыми обломками скального и мерзлого грунтов) под действием статического нагружения и ударную стойкость под действием динамического нагружения, сопротивление защитного покрытия продиру и истиранию при протаскивании трубопровода, а также через стойкость к изгибающим нагрузкам при использовании бестраншейных методов укладки.

Технологичность применения защитных покрытий

Защита поверхности трубопровода от механического взаимодействия с компонентами грунта и элементами строительной техники выполняется при сооружении трубопровода. Комплекс строительно-монтажных работ состоит из вспомогательных, выполняемых в подготовительный период строительства, и основных работ по строительству линейной части трубопровода. При этом технологическая схема ведения работ по устройству защиты противокоррозионного покрытия трубопровода и ее место в технологическом потоке существенно зависит как от защитной конструкции, так и от организации прокладки трубопровода.

Приведем пример встраивания технологических операций вариантов защиты в процесс сооружения трубопроводов (табл. 1), в рамках которых рассматривались альтернативные решения.

**Таблица 1.** Сравнение технологических этапов строительства при различных вариантах защиты
Этап работ	Вариант 1: Защитное композитное бетонное покрытие	Вариант 2: Присыпка и обсыпка песком	Вариант 3: Скальный лист
Подготовительно-технологический этап	Приемка от Заказчика геодезической разбивочной основы Расчистка полосы отвода от леса и растительности Разбивка пикетажа Снятие в отвал временного хранения плодородного слоя грунта Планировка и осушение строительной полосы Строительство вдольтрассового технологического проезда Сварка труб в секции на трубосварочных базах (БТС)
Разработка траншей	Разработка траншей	Разработка траншей	Разработка траншей
Устройство подсыпки	Не требуется	Устройство подсыпки слоем 0,2 м	Устройство подсыпки слоем 0,2 м
Установка защитных конструкций	Установка конструкций защиты зоны сварных соединений стыков труб	Не предусмотрено	Установка защитной футеровки на весь трубопровод
Балластировка	Не требуется, функционал самого покрытия	Балластировка трубопровода	Балластировка трубопровода
Присыпка	Присыпка не требуется, осуществляется засыпка грунтом из отвала без специальной подготовки	Присыпка (обсыпка) слоем 0,2 м над верхней образующей мягким грунтом	Присыпка (обсыпка) по высоте 0,2 м над верхней образующей трубы раздробленным грунтом из отвала

Вариант 1: Защитное композитное бетонное покрытие

Укладка трубопровода с применением защитного композитного бетонного покрытия методом закачки под давлением конструкции труба-в-трубе. Применение песчаных грунтов для подсыпки и обсыпки исключается в полном объеме, при этом фракционный состав грунтов для обсыпки и обратной засыпки не регламентируется. Засыпка траншеи осуществляется грунтом из отвала.

Вариант 2: Присыпка и обсыпка песком

Укладка трубопровода с присыпкой и обсыпкой песком. Предусматриваются подсыпка (подушка) слоем 0,2 м и присыпка (обсыпка) слоем 0,2 м над верхней образующей трубопровода привозным сыпучим минеральным грунтом (песком) из карьера в объеме, учтенном в типах прокладки. Фракционный состав подсыпки – частицы размером 2 мм и менее (более 50% по объему), размер остальных частиц – не более 5 мм, фракционный состав присыпки – частицы размером не более 5 мм. Засыпка траншеи осуществляется грунтом из отвала.

Вариант 3: Скальный лист

Укладка трубопровода с применением скального листа. При сохранении подсыпки (подушки) слоем 0,2 м в полном объеме рассматривается применение футеровки трубопровода скальным листом для защиты изоляции трубопровода вместо присыпки (обсыпки) из привозного минерального карьерного грунта (песка). Присыпка (обсыпка) по высоте 0,2 м над верхней образующей трубы осуществляется раздробленным грунтом из отвала. Грунт обратной засыпки может содержать включения твердых фракций диаметром до 50 мм.

Примеры выполнения работ по устройству мягкой подсыпки — Рис. 3. Пример выполнения работ по устройству мягкой подсыпки в вариантах, когда разработка траншеи опережает сварочно-монтажные работы (а) и когда сварочно-монтажные работы выполняются в задел (б)

Из таблицы видно, что укладка трубопровода с применением защитного композитного бетонного покрытия методом закачки под давлением конструкции труба-в-трубе позволяет исключить из перечня работ по сооружению трубопровода несколько материалоемких и весьма трудоемких операций. С учетом того, что прокладка трубопроводов в основном осуществляется в труднодоступных местах, перемещение больших объемов карьерного песка требует строительства подъездных дорог, мостов или переправ через водные препятствия, также происходит негативное воздействие на окружающую среду вблизи объекта строительства.

Организация строительства магистральных трубопроводов в настоящее время базируется на поточном методе выполнения работ, когда проведение отдельных видов работ связано с наличием оптимальных взаимосвязей и взаимозависимостей между отдельными видами работ, синхронизация которых определяет организацию строительства в целом.

Уровень механизации работ

Уровень механизации работ k_мех определяется следующим образом:

k_мех = (V_мех / V) × 100%

где V_мех – объем механизированных работ, м³ (т); V – общий объем работ, которые проводятся как с помощью машин, так и вручную, м³ (т).

Защитные покрытия трубопроводов могут иметь заводское или трассовое изготовление. При необходимости обеспечения высоких требований к покрытию его целесообразно изготавливать в заводских условиях, обеспечивающих заводское качество выполнения работ и более высокую степень охвата механизацией строительно-монтажных работ. Заводское защитное покрытие также обладает лучшей сохранностью в процессе транспортировки труб и при погрузочно-разгрузочных работах.

Примеры использования ручного труда при монтаже скального листа — Рис. 4. Примеры необходимости использования ручного труда (а) и уровня готовности защитных конструкций при поступлении на трассу (б)

Работоспособность и надежность защитных покрытий

Работоспособность защитного покрытия после завершения его нанесения и монтажа трубопровода оценивается на основе способности покрытия сохранять защитные свойства в нормированных пределах во времени при воздействии на трубопровод эксплуатационных факторов, которые могут повредить противокоррозионное покрытие.

При этом следует учитывать, что основным несущим элементом трубопровода является стальная труба, и в случае возникновения существенных воздействий на трубопровод (сход лавин, оползни и др.) его целостность будет определяться не характеристиками защитного покрытия, а прочностными характеристиками трубопровода. В качестве количественной характеристики работоспособности может быть принята относительная величина потерь прочности при воздействии негативного фактора, рассчитываемая по формуле:

ΔR_n = ((R_n – R₀) / R₀) × 100%

где ΔR_n – потеря прочности после i-го воздействия, %; R_n – предел прочности после n циклов воздействия, МПа; R₀ – проектный предел прочности, МПа.

Одним из ключевых факторов, влияющих на безопасность конструкции трубопровода с защитным покрытием, является его надежность. Вероятность нарушения целостности защитного покрытия после завершения строительства и сдачи объекта в эксплуатацию невысока, нарушение может быть результатом некачественной приемки объекта в эксплуатацию. В иных случаях повреждение защитного покрытия в процессе эксплуатации может происходить только в результате несанкционированного воздействия на трубопровод, природных катаклизмов и др.

Исследования показывают, что долговечность защитного бетонного покрытия без потери защитных свойств составляет более 50 лет. Из обзора нештатных ситуаций с обетонированными трубопроводами следует, что даже в случае критического разрушения стальной трубы защитное бетонное покрытие сохраняется на тех участках поврежденного трубопровода, где не изменилась геометрия проводящей трубы.

**Таблица 2.** Основные свойства защитных и балластных покрытий
Контролируемые свойства покрытия	Защитное композитное бетонное покрытие	Балластное сплошное бетонное покрытие
Плотность бетонной смеси, кг/см³	1900–2350	2100–3500
Возможность потери покрытия, %	0	≤10
Изгиб плети трубы, диаметр трубопровода	Соответствует изгибу стальной трубы	1000
Герметичность покрытия	Герметично	Не герметично
Стойкость к удару, кДж	5	5
Стойкость к сдвигу, МПа	0,45	0,7
Стойкость к проколу, кН	9	–
Стойкость к продольному врезанию, кН	14	–
Толщина покрытия, мм	20–30	40

Первоначальные требования к сплошному бетонному покрытию относились только к трубам с балластным покрытием, из которых сформировались требования к утяжелению трубопровода (преимущественно морского). После многочисленных испытаний Минстроем России было разрешено использовать трубы с защитным композитным бетонным покрытием для строительства подземных инженерных коммуникаций сначала для жилищно-коммунального хозяйства. После проведения серии дополнительных исследований в 2024 г. действие данного документа было распространено на проекты нефтегазового сектора.

Конструкция стыка труб — Рис. 5. Конструкция стыка, равножесткая с покрытием обетонированных труб

Кроме нормативных ограничений, на использование продукции существенно влияют природно-климатические ограничения. При рассмотрении защитного покрытия существенную роль играет качественная и равножесткая с основным покрытием конструкция защиты сварного стыкового соединения, которая обеспечивает нормативный изгиб трубопровода.

Ремонтопригодность конструкции защитного покрытия является одним из важных параметров, обеспечивающих надежность защиты противокоррозионных покрытий трубопроводов от внешних механических повреждений. Ремонт в трассовых условиях осуществляется в зависимости от повреждения трубопровода или его защитного покрытия. При необходимости проводится замена либо части трубопровода аналогично процедурам его строительства, либо части покрытия. После этого выполняются проверки противокоррозионного покрытия проводящей трубы.

Экологические и экономические факторы

Экологические ограничения

Экологические ограничения в настоящее время рассматриваются практически для всех устройств, контактирующих с окружающей средой. Покрытия, используемые для защиты противокоррозионного покрытия трубопровода, не должны наносить вред окружающей среде даже в случае их повреждения.

Каждая защитная технология i (i = 1, … ,m) может быть оценена по различным параметрам воздействия на окружающую среду j (j = 1, … ,n) и характеризоваться множеством разнородных показателей x_ij ∈ П_ij, имеющих различные значимость и важность. Показатели могут быть как количественными, так и качественными (например, объем образующихся загрязняющих веществ и наличие или отсутствие отходов).

**Таблица 3.** Сравнение вариантов защиты по критерию «Объем разработки и перевозки грунтов»
Вариант защиты трубопровода	Объем, м³			Число машинорейсов самосвалов, 10 м³	Уровень воздействия на окружающую среду
	Привозных песков	Грунтов под просеивание	Вытесненного грунта на вывоз
1. Защитное композитное бетонное покрытие	0	0	126 402	12 640	Минимальный
2. Песок	272 288	0	398 691	67 098	Максимальный
3. Скальный лист	0	269 228	126 402	39 563	Средний

Экономическая эффективность

Кроме прочностных характеристик защитного покрытия, большое значение имеет экономическая эффективность его использования. Оптимальный вариант защитного покрытия исходя из экономических показателей определяется из условия:

З = ΣЗ_и + ΣЗ_K + ΣЗ_Э + ΣЗ_ЗУ + ΣЗ_ОВОС → min

где ΣЗ_и – суммарные затраты на изготовление и доставку защитной конструкции; ΣЗ_К – суммарные капитальные вложения в строительство магистрального трубопровода по каждому варианту защитной конструкции; ΣЗ_Э – суммарные эксплуатационные расходы по каждому варианту защитного покрытия; ΣЗ_ОВОС – суммарные затраты на мероприятия по охране окружающей среды.

Для приведенного примера сравнения вариантов защиты была рассмотрена задача определения экономической целесообразности использования защитного покрытия по сравнению с другими аналогичными вариантами защиты трубопровода при прокладке его в сложных условиях. Результаты сметного сравнения вариантов прокладки представлены в табл. 4.

**Таблица 4.** Основные сметные показатели
Основные сметные показатели	Вариант 1: Защитное композитное бетонное покрытие	Вариант 2: Песок	Вариант 3: Скальный лист
Сметная стоимость*, руб.	2 009 651 455	3 391 376 264	2 166 056 492
Средства на оплату труда, руб.	67 776 881	81 772 486	80 533 237
Сметная трудоемкость**, человеко-ч	237 787,52	303 432	278 757,9
СМР, мес.	5,7	7,8	6,7

*Стоимость трубной продукции принята согласно условиям поставки.
**Число рабочих по проекту организации строительства – 245 человек.

Экономическая эффективность применения защитного покрытия складывается из стоимости его нанесения, выполнения строительных работ и эксплуатации объекта. С учетом возможности перевалок трубной продукции надежная защита противокоррозионного покрытия также существенно снижает риски повреждения продукции при выполнении транспортных операций.

Для уменьшения затрат производители защитных покрытий стремятся локализовать все виды покрытий на одной производственной площадке, что значительно повышает экономические показатели, так как в настоящее время транспортная составляющая вносит существенный вклад в стоимость покрытия, особенно в части доставки продукции в отдаленные и труднодоступные районы со слаборазвитой транспортной инфраструктурой.

Выводы

Проведенный анализ факторов, влияющих на эффективность защиты противокоррозионных покрытий трубопроводов от механических повреждений, позволяет сформулировать следующие выводы:

Систематизация характеристик защитных покрытий с использованием диаграммы Исикавы позволяет выделить наиболее значимые проблемы в системе защиты трубопроводов от механических воздействий.
Комплексная оценка эффективности защитных покрытий должна учитывать совокупность факторов: прочностные характеристики, технологичность применения, работоспособность, надежность, экономическую эффективность и экологические ограничения.
Использование защитного композитного бетонного покрытия позволяет исключить из технологического процесса строительства трубопровода ряд материалоемких и трудоемких операций, связанных с применением мелкодисперсных песчаных грунтов.
Факторное сравнение вариантов защиты трубопроводов по различным критериям эффективности обеспечивает объективный выбор оптимального решения для конкретных условий прокладки.
Заводское изготовление защитных покрытий обеспечивает более высокое качество работ, лучшую сохранность при транспортировке и позволяет синхронизировать поставку продукции с темпами строительства.

Список литературы

Пат. № 2345267 РФ, МПК F16L 9/02 (2006.01). Способ нанесения балластного покрытия на поверхность трубы / А.П. Свечкопалов; патентообладатель А.П. Свечкопалов; №2007109855/06; заявл. 19.03.2007; опубл. 27.01.2009.
Пат. № 2735884 РФ, МПК F16L 9/08 (2006.01), F16L 9/08(2006.01). Оболочка для защиты обетонированных труб / И.И. Шапорин, патентообладатель ООО «БТ-СВАП»; № 2020119143; заявл. 09.06.2020; опубл. 09.11.2020.
Обоснование допустимого размера фракций грунта, применяемого для сооружения газопровода, оснащенного средствами защиты от механических повреждений / Ю.А. Маянц, А.В. Елфимов, А.С. Кузьбожев [и др.] // Газовая промышленность. – 2020. – № 1 (797). – С. 40–46.
Шапорин И.И., Васильев Г.Г., Леонович И.А. Методы оценки прочностных свойств защитных покрытий трубопроводов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2024. – Т. 14. – № 6. – C. 526-535. – https://doi.org/10.28999/2541-9595-2024-14-6-526-535
ISO 21809-5:2017. Промышленность нефтяная и газовая. Наружные покрытия для подземных или подводных трубопроводов, используемых в транспортных системах. Ч. 5. Наружные бетонные покрытия.
Шапорин И.И. Анализ особенностей механических повреждений сухопутных нефтегазопроводов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2024. – № 5 (320). – C. 67-72.
СП 86.13330.2022. СНиП III Магистральные трубопроводы.
Пат. № 192391 РФ, МПК F16L 58/06 (2006.01), F16L 9/14 (2006.01). Конструкция стыка труб с наружным бетонным покрытием / И.И. Шапорин; патентообладатель ООО «БТ-СВАП»; № 2019120234; заявл. 28.06.2019; опубл. 16.09.2019.
Васильев Г.Г., Сенцов С.И., Ковалева С.О. Экологические проблемы при отводе земель при строительстве магистральных трубопроводов // Нефтяное хозяйство. – 2007. – № 10. – С. 139–141.
СП 341.1325800.2017. Подземные инженерные коммуникации. Прокладка горизонтальным направленным бурением (с изменением № 2 15.05.2024 г.).
СТО Газпром 2-2.2-382-2009. Магистральные газопроводы. Правила производства и приемки работ при строительстве сухопутных участков газопроводов, в том числе в условиях Крайнего Севера.