Газотранспортна галузь — важливий елемент енергетичної безпеки України

Під енергетичною безпекою країни слід розумі­ти спроможність держави забезпечити ефективне використання власної паливно-енергетичної бази, здійснити оптимальну диверсифікацію джерел і шляхів постачання енергоносіїв для забезпечення життєдіяльности населення та функціонування національної економіки у режимі звичайного, над­звичайного та воєнного станів, попередити різкі цінові коливання на паливно-енергетичні ресурси та створити умови для адаптації національної еко­номіки до зростання цін на ці ресурси. Для Укра­їни також украй важливо зберегти статус тран­зитної держави нафти і газу в Европу, що дає не тільки економічні, але й політичні вигоди.

Такі ресурси, як нафта і природний газ для багатьох країн світу ще тривалий час будуть ба­зовими для їх національних енергетик. Що стосується України, то для неї нафтогазова енергетика є і буде впродовж найближчого десятиліття визна­чальним чинником енергетичної безпеки.

В первинному енергоспоживанні України част­ка природного газу становить 41...43 відсотки, що вдвічі перевищує аналогічний середньоевропейський показник (приблизно 22 відсотки). Така велика залежність енергетики України від при­родного газу пов'язана з історією створення і роз­витку нафтової та газової промисловости України, що зумовило відповідне оснащення промисловости та комунального господарства. Україна належить до енергодефіцитних держав, власним видобутком потреба в природному газі задовольняється лише на 20...25 відсотків. Тому, з одного боку, зменшення використання газу, а з другого – нарощування видобутку природного газу, добування сланцево­го і вугільного газу та отримання біогазу могли би зменшити нашу залежність від імпорту газу. Проте далі торкнемося лише технічних питань, пов'язаних із транспортуванням газу. Тут варто зазначити два основні аспекти:

1. Забезпечення працездатности газотранспорт­ної системи України.

2. Розбудова альтернативних до російського шляхів імпорту газу в Україну.

Забезпечення працездатности газотранспортної системи України. Загальна довжина розгалуже­ної системи магістральних газопроводів – 22 км, особливо важливим елементом яких є газосхови­ща сумарною активною ємністю 31 млрд. м³ газу, в тому числі поблизу західного кордону України. Це унікальна перевага транзиту газу в Західну Евро­пу саме через Україну, оскільки дає можливість додатково транспортувати великі обсяги газу в пе­ріоди його пікового споживання (у зимовий період). Так, якщо взяти до уваги обсяг транзиту газу в Европу через Україну 100...120 млрд. м³, як це було в докризовий період, то четверту частину газу маємо можливість подати додатково взимку. Таких інших можливостей немає ніде на шляху транспортування газу з Росії в Европу, тому і з цього погляду збереження у працездатному стані нашої газотранспортної системи має велике значення.

В Україні трапилася низка аварійних ситуацій на магістральних газопроводах, найрезонансніші з них на газопроводі Уренгой–Помари–Ужгород у 2003 і 2007 рр. Руйнування труби, як правило, ви­бухове і великої протяжности, часто із загорянням (Іл. 1). Якщо ж звернутися до статистики кількости відмов в експлуатації підземних газопроводів України, то основними їх причинами є, з одного боку, заводський і будівельний брак, а з другого – корозійно-агресивна дія ґрунтового середовища, а також транспортованого продукту. Заводський брак пов'язаний з неякісним виготовленням труб, будівельний брак – у невідповідному транспорту­ванні, що спричиняє пошкодження металу (гнуття, царапини, вминання), пошкодження захисного покриву, неякісне зварювання труб і т. д. Коро­зійний чинник полягає у корозійних ураженнях певної площі металу під зруйнованим ізоляційним покривом, які призводять до його стоншен-я і, відповідно, в січенні труби, що залишилося, зростають механічні напруження, які можуть пе­ревищити допустимі. Інший, важливіший прояв корозійного чинника полягає в утворенні поверх­невих тріщин, які зростають углиб стінки труби та створюють високу концентрацію напружень. Кінетику розвитку таких тріщин важко прогно­зувати: вони можуть за певних умов стрімко по­ширюватись і тому набагато небезпечніші за ко­розійне стоншення труби. У Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України (ФМІ) розроблена спеціяльна методологія дослідженьтаких корозійно-механічних тріщин, яка базується на врахуванні особливостей саме у вершині ко­розійної тріщини як з огляду механічного стану, так і електрохемічних умов. Розроблено інженер­ні методи обчислення залишкового ресурсу труб, які би враховували кінетику росту корозійно-ме­ханічних тріщин. Крім лабораторних досліджень, на зразках розроблено обладнання для напівнатурних випробувань відрізків труб, напруження в яких створюються тиском газу всередині труби. За тривалої витримки труби у газі, який здатний наводнювати трубу, руйнівні тиски знижуються, а характер руйнування крихкий і це береться в роз­рахунок конструктивної міцности труб.

Останнім часом відновилися перемовини з европейськими партнерами про спільну модернізацію нашої газотранспортної системи. Ще 2009 р. европейська сторона поставила категоричну умову, що вона може долучитися до такої модернізації, якщо транзит газу буде виокремлено в господарську структуру від газодобування та газопостачання України. Нині розпочато організаційні заходи щодо розділення Нафтогазу України на складові і це, очевидно, стимулювало европейських парт­нерів продовжити переговори. Ця модернізація передбачає як заміну застарілого обладнання газопомпувальних станцій, так і модернізацію самої лінійної частини трубопроводу. Це заміна ізоляційного покриву, а в певних випадках і заміна ді­лянок трубопроводів, технічний стан яких на межі вичерпання свого ресурсу.

Загалом, щоби ухвалити рішення про харак­тер відновлювальних робіт на тій чи іншій ділянці трубопроводу, слід провести низку науково-тех­нічних заходів:

1. Оцінювання стану захисного ізоляційного по­криву.

2. Виявлення та характеристика зміни геомет­рії труби: стоншення, виразки, тріщини.

3. Застосування підходів механіки руйнування для прогнозування тривалости росту виявлених тріщин до критичного стану з метою встановлення „безпечности" тріщин.

4. Оцінювання зміни фізико-механічних влас­тивостей металу труб унаслідок тривалої експлуа­тації газопроводу.

Останній пункт означає потребу врахування деградації властивостей металу з часом експлуа­тації, тобто старіння металу. Цьому аспектові до­недавна не надавали належної уваги з огляду на агресивний вплив корозивного середовища. В інже­нерному матеріялознавстві вважається, що тільки механічний чинник, тобто механічне навантаження, відповідальне за старіння металу, проте треба враховувати і вплив водню на старіння металу. Наводнювальним середовищем є транспортований газ і він проникає вглиб стінки труби та спричиняє множинне руйнування на мікрорівні, яке на­зивають розсіяною пошкодженістю. Тріщини зароджуються зазвичай з боку зовнішньої поверхні, після руйнування захисного ізоляційного покриву та доступу ґрунтового середовища безпосередньо до металу труби. Проте якщо метал якісний, трі­щина не буде розвиватися. Але з часом внаслідок експлуатації метал деградує, а транспортований газ через наводнювання труби сприяє цій деграда­ції. Настає такий стан металу, що тріщина починає розвиватися і це може призвести до руйнування. Це означає, що не применшуючи важливости надійности ізоляційного покриву, треба більше уваги приділяти осушуванню транспортованого газу, тоді корозійний процес на внутрішній поверхні зменшуватиметься і, відповідно, ослаблюватиметься наводнювання металу. Інший практичний аспект, який випливає з цього, – потрібне жорстке дотримування регламенту катодного захисту тру­бопроводів для мінімізації наводнювання зовніш­ньої поверхні труб, оскільки зістарені труби осо­бливо чутливі до водневої крихкости.

Для виявлення пошкоджень використовують інтелектуальні поршні, які начинені різними сен­сорами. Поршень запускають в трубу на помпувальній станції і він проходить по трубі до іншої станції, реєструючи різного типу пошкодження і їх координати по довжині трубопроводу. Зазначи­мо, що корозійне стоншення труби він реєструє легко, тоді як з надійною реєстрацією тріщин є проблеми. Технологія і обладнання такого контро­лю зарубіжні.

У ФМІ розроблено низку неруйнівних методів контролю стану магістральних газопроводів, які вже використовуються чи на стадії впровадження. До них належать, зокрема, електромагнітний метод та відповідні інформаційно-вимірювальні системи для визначення місця і глибини залягання трубопроводу, стану ізоляції та рівня катодного за­хисту. Розробки доведені до широкого впровадження на підприємствах НАК „Нафтогаз України".

Створено інформаційно-вимірювальну систе­му, а відтак і методики для акустико-емісійного діягностування обладнання нафтопомпувальних станцій, які апробовані на магістральному нафто­проводі „Дружба". Система забезпечує реєстрацію дефектів на ранніх стадіях розвитку руйнування; висока чутливість (частки міліметра) до виявлення зародження та розвитку тріщин. Розроблені мето­дики АЕ-діагностування покладено в основу ДСТУ 4227-2003 „Настанови щодо проведення акустико-емісійного діагностування об'єктів підвищеної небезпеки". Запропоновано магнетоакустичний метод оцінювання стану металу трубопроводу. Особливість останнього – у збагаченні акустично­го методу магнетним. Звикло акустичним методом реєструють сигнали внаслідок мікроруйнування матеріялу, тобто треба очікувати руйнування ме­талу в процесі експлуатації або спеціяльно наван­тажувати трубу, що ризиковано. В цьому випадку акустичну емісію спричиняє намагнічування ме­талу, що цілком безпечне з огляду на можливе порушення цілісности труби.

Недавно розроблено електрохемічний метод оцінювання стану металу труби. Якщо змінюється метал, то відповідно змінюються й електрохемічні характеристики, які можна визначати у польових умовах. А за побудованими на основі експеримен­тальних досліджень кореляційними залежностями між цими характеристиками і механічними властивостями можна визначати останні, а вже за ними прогнозувати працездатність трубопроводу, його залишковий ресурс.

У ФМІ створена та функціонує сучасна спеціялізована лабораторія для випробовувань на розрив конструктивних елементів трубопровідних систем транспортування газоподібного водню та його сумішей з природним газом, яка забезпечує проведення досліджень в автоматичному режимі. Сьогодні ця лабораторія не має аналогів в Украї­ні. Використовуючи підходи механіки руйнуван­ня, тут запропоновано та обґрунтовано критерії оцінки безпечної експлуатації трубопроводу з тріщиноподібними дефектами у водневмісних ро­бочих середовищах різного складу. Розраховано критичні значення розмірів дефектів залежно від їх форми та об'ємної концентрації водню в мета­лі трубопроводу. Розроблено експертну систему для технічного діягностуванн працездатности конструктивних елементів трубопровідних систем транспортування водню із виявленими дефектами.

Нафтогазова енергетика України значною мі­рою залежить від імпорту природного газу з єди­ним монопольним постачальником, що не сприяє підвищенню енергетичної безпеки держави. До речі, кожна країна Европейського Союзу отри­мує природний газ щонайменше з трьох джерел. Тому з метою підвищення енергетичної безпеки України, а також впливу на цінову політику европейського газового ринку, треба напрацьовувати економічно вигідні альтернативні шляхи постачання природного газу. Сьогодні економіка Украї­ни розвивається в умовах надмірного тиску цін на енергоносії, зокрема, на природний газ – це понад 500 дол. США за тисячу кубометрів, якщо не вра­ховувати знижок у 100 дол. США за тисячу ку­бометрів газу. Оскільки Україна одна з перших у світі видобувала природний газ, має значний тех­нологічний та організаційний досвід розроблення газових родовищ та транспортуванн енергоносіїв, володіє однією з найбільших газотранспортних систем в Европі, значними трудовими ресурсами та високим інтелектуальним потенціялом у цій галузі, то, відповідно, має всі підстави для сприйняття її світовою спільнотою як рівноправного партнера на европейському енергетичному прос­торі.

Зазначимо, що для України альтернативні шляхи обов'язково передбачають частину тран­спорту газу водним шляхом, якщо не розгляда­ти можливий реверс газу з Европи в Україну. Ефективні шляхи постачання газу не з Росії? Це транспорт Азербайджанського газу Північно-Кав­казьким трубопроводом з відгалуження до Поті, а далі морським шляхом до узбережжя України. Можливий варіянт використання Південного га­зового коридора через Туреччину в Україну (не плутати з Південним потоком, яким Росі планує постачати газ з Росії до Болгарії в обхід України). Якщо розглядати туркменський газ, то треба про­йти морський шлях до Азербайджану, а далі вже одним зі згаданих маршрутів.

Розглядають і маршрути з Африки і Близького Сходу, але тут треба зважати на обмежені можли­вості протоки Босфор, яка разом із Дарданелами з'єднує Середземне і Чорне моря. Вона надзвичай­но завантажена – щорічно пропускає 45 тисяч суден, 140 млн. тонн нафти та 4 млн. тонн зрідже­ного газу; щоденно протоку перетинає 15 тисяч паромів, які перевозять 1,5 млн. людей. Для розширення сполучення в цьому напрямку планується побудувати до 2023 р. паралельний до Босфору Стамбульський канал, кий з'єднає Чорне море з Мармуровим. Будівництво каналу завдовжки 40–45 км, завширшки 140–150 м і завглибшки25 мрозпочнеться в 2014 році.

У світі добре відпрацьований транспорт зрі­дженого газу спеціяльними танкерами. Україна розглядає таку можливість і заплановано вже до 2015 р. збудувати поблизу Одеси першу чергу тако­го термінала з перевалки зрідженого газу (потуж­ністю 2 млрд. м³), а завершити 2017 р. Тоді загаль­на потужність термінала становитиме 10 млрд. м³ Успішність проєкту залежить від комплексного вирішення низки ключових питань, пов'язаних із високою вартістю спеціяльних суден для перевезення зрідженого газу, потребою будівництва приймального термінала і заводу регазифікації, складністю проходження протоки Босфор. Крім того, цей спосіб вимагає використання надзвичай­но складних інженерних берегових та лінійних споруд, спеціяльних суден-газовозів, застосування унікального устаткування. Це відповідно потребує складного висококваліфікованого обслуговування під час експлуатації. Для реалізації кожного з цих способів потрібні великі капітальні та експлуата­ційні витрати.

Водночас у світі останнім часом проробляється можливість транспорту на кораблях не зрідженого газу, а стиснутого в трубах. Особливість сучасного стану розвитку такої технології – перехід компа­ній, зацікавлених в реалізації проєктів морського транспортування природного газу, від концептуаль­ного аналізу до детального конструкторського опрацювання основних елементів транспортного ланцюга і формування міжнародних консорціюмів для практичної реалізації проєктів у різних регіо­нах світу. Поява перших суден транспортування стиснутого газу і початок його комерційних переве­зень очікується, можливо, вже і цього року. Основ­ним елементом транспортної системи є спеціялізовані судна, спорудження яких вимагає певно­го часу і відповідних капітальних затрат. Технічно складною і капіталомісткою є проблема виготовлення балонів високого тиску (горизонтальних або вертикальних) та складність системи їх обв'язки.

Українські наукові заклади на чолі з Івано-Франківським національним технічним універси­тетом нафти і газу запропонували дещо інший варіянт транспортування газу у стиснутому стані, а саме: використовувати для цього звичайні судна-контейнеровози, на яких розміщено довгомірний трубопровід, складений зі стандартних газопро­відних труб. Труби, з'єднані електрозварюванням через стандартні відводи, вкладаються в модуль, який має геометричні розміри і конструкцію по­садкових елементів відповідно 40- футового (або 20-футового) морського контейнера. Модулі, розмі­щені і закріплені на судні-контейнеровозі, з'єднані у блоки, які заповнюють вантажний простір судна в кілька ярусів аналогічно розміщенню контей­нерів. Трубопроводи модулів, з'єднані між собою, утворюють довгомірний трубопровід, названий плавучим трубопроводом, внутрішній об'єм якого заповнюється транспортованим стиснутим газом. Завантаження і розвантаження газу, транспорто­ваного рухомими трубопроводами, здійснюється так само, як і для суден стиснутого газу.

Зазначимо, що за собівартістю зі всіх видів транспорту газу водним шляхом найдорожче транспортування зрідженого газу. Використання під­водних трубопроводів економічно вигідне за дов­жини маршруту до 1000 км, після чого собівартість істотно зростає. Це пов'язано зі складністю створення компресорного обладнання, здатного забез­печити відповідні тиски для транспортування газу на такі відстані, а також практичною неможливіс­тю розміщення проміжних компресорних станцій. Це означає, що газопомпувальні станції мають бути на суші, тому відтинок водного шляху означає і відстань між сусідніми станціями. Для прикладу, відстань між компресорними станціями, розміще­ними на суходолі, становить 100...200 км, тоді як відтинок газопроводу „Південний потік" морською акваторією – 900 км. Тут також треба додатко­во враховувати негативний вплив глибини моря на товщину стінки труби за умови недопущення її зминання. Для глибин Чорного моря в межах2000 мтовщина стінки труби перевищує 30 мм за відстаней транспортування до 500 км, а зі збільшенням відстані товщина відчутно зростає. Тому порівняно короткий газопровід „Голубий потік" успішно експлуатується, а такий проєкт, як газо­провід „Південний потік", – значно витратніший під час спорудження і буде надзвичайно складним в експлуатації. Крім того, на дні Чорного моря є високе агресивне сірководневе середовище, яке не тільки значно інтенсифікує швидкість корозії, але й сильно наводнює метал, що найзагрозливіше з огляду на деградацію металу труби.

Нова ідея українських учених стосовно використання плавучих трубопроводів для транспортування стиснутого газу перспективна і з огляду на можливість її практичної реалізації за короткий час. Для транспортування зрідженого газу потріб­на певна кількість спеціяльних кораблів-танкерів. Потреба в них тільки зростатиме у зв'язку з розширенням останніми роками цього виду транспор­ту природного газу. Тому, найвірогідніше, треба буде будувати власні танкери, що вимагатиме зна­чних фінансових ресурсів та часу. Водночас для плавучих трубопроводів використовуються серійні контейнеровози, а додаткова потреба в них істотно не відіб'ється на їх загальному ринку.

Найбільші контейнеровози здатні завантажити і перевозити за рейс до 25 млн. м³ газу. Згідно з попередніми розрахунками, сім таких контейнеро­возів впродовж року можуть перевезти з Алжиру в Україну 10 млрд. м³ газу за умови, що простою­ватимуть в черзі перед проходженням протоки Босфор не більше однієї доби під час кожного рейсу. Така продуктивність відповідає потужності запланованого для будівництва термінала з пере­валки зрідженого газу, а сумісно ці два види тран­спорту перекривали б потреби України в імпорті цього виду енергоресурсів.

Зазначимо, що запропонований спосіб транспортування стиснутого газу можна використовувати і для транспортування газу, безпосередньо видобу­того на морському родовищі. Для цього розроблена спеціяльна баржа-пліт для транспортування стис­нутого природного газу, яка пришвартовується до зануреного прийомного буя або до видобувної платформи на шельфі. Технологічне промислове обладнання для очищення, осушення та стиснення видобутого газу розміщується на платформі або на технологічному судні.

Свердловина – технологічне промислове обладнання – транспортна баржа-пліт з'єднані між собою спеціяльними гнучкими трубо­проводами. Заповнена баржа-пліт буксиром транспортується за відповідним маршрутом, а її місце для завантаження займає інша. За такого способу експлуатації морського газового родовища відпадає потреба у спорудженні промислового трубопроводу від свердловини до берегового термінала.

Євстахій КРИЖАНІВСЬКИЙ,

Григорій НИКИФОРЧИН