Как система мониторинга помогает избежать аварий в зоне вечной мерзлоты

Задачи

• Повысить безопасность зданий и сооружений в Норильском промышленном районе.
• Наладить постоянный мониторинг грунтов-оснований и строительных конструкций зданий и сооружений.
• Создать единую информационно-диагностическую систему, которая будет собирать и анализировать данные мониторинга в автоматическом режиме.
• Обеспечить быстрое реагирование при возникновении опасных ситуаций и оперативно устранять их причины.

Предпосылки и мотивация

Согласно отчету Всемирной метеорологической организации, последнее десятилетие было самым жарким на планете. Рост температуры приводит к повышению уровня воды в океанах, учащению ураганов, наводнений и периодов засухи.

В Арктической зоне температура воздуха растет еще быстрее, чем в целом на Земле. Поэтому здесь изменение климата в совокупности с техногенным воздействием от построек увеличивает среднюю температуру многолетнемерзлых грунтов и глубину их сезонного оттаивания. Это приводит к тому, что фундаменты зданий и сооружений могут потерять устойчивость, а сами здания — обрушиться.

Чтобы исключить тепловое техногенное воздействие на многолетнемерзлые грунты, здания строят на сваях — обычный фундамент, который используется в центральной части России, может передавать грунту излишнее тепло. Еще одно важное инженерное решение — наличие проветриваемых подполий со специальными отверстиями — продухами. Крайне важно сохранять их открытыми и соблюдать все проектные требования. Например, следить, чтобы в подвалах не было паводковых вод и протечек в сантехнической сети, а вокруг зданий не скапливался снег, который забивает вентиляционные отверстия или работает как утеплитель, когда его слишком много. Если эти условия нарушаются, то грунт дополнительно нагревается, а его температура и глубина оттаивания увеличивается.

Чтобы обеспечить устойчивость зданий и избежать повышения температуры грунта, «Норникель» иногда применяет искусственное замораживание с помощью термостабилизаторов. Устройство переносит холод из окружающего воздуха к основанию фундамента, и в грунтах поддерживается нужная температура. Однако такой метод можно использовать не всегда. Например, на некоторых объектах линейной инфраструктуры — трубопроводах, линиях электропередачи и дорогах — сложно обеспечить подмораживание грунта. Такие объекты в основном находятся за городом и имеют значительную протяженность, то есть затраты слишком велики.

Для повышения безопасности зданий и сооружений специалисты «Норникеля» занялись разработкой мер, которые помогут уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций.

Решение

Разработать и внедрить систему мониторинга, которая следит за состоянием грунтов оснований, строительных конструкций зданий и сооружений, расположенных на вечной мерзлоте, а также передает данные в единый центр управления для анализа и реагирования.

Реализация

Чтобы обеспечить безаварийную эксплуатацию активов компании, в 2021 году сотрудники Заполярного филиала «Норникеля» запустили комплексную систему мониторинга. Система состоит из IT-платформы и нескольких типов измерительных приборов:

• термокосы контролируют температуру грунта;
• пьезометрические датчики следят за уровнем подземных вод;
• гидронивелиры и инклинометры определяют деформацию элементов зданий;
• тензометры следят за сжатием и растяжением бетонных и стальных конструкций;
• термогигрометры контролируют температуру и влажность воздуха в технических подпольях, а также помогают быстро понять, что произошла авария на системах водо- или теплоснабжения;
• спутниковые системы мониторинга следят за перемещением грунтов на территории съемки.

В режиме реального времени система контролирует несущую способность грунтов-оснований, а также следит за температурой воздуха и влажностью в технических подпольях, высотой снежного покрова, работоспособностью искусственной вентиляции и охлаждающих устройств. Программа автоматически получает актуальные данные с измерительных приборов и сравнивает их с критериями безопасности для каждого вида датчика, информирует сотрудников об отклонениях и предоставляет отчеты.

У критериев безопасности, с которыми работает система, есть два уровня. Первый — предупреждающий: если он выше нормы, то это сигнал потенциальной угрозы. Неполадки на втором уровне уже говорят о том, что может произойти аварийная ситуация.

Сотрудники диспетчерской сообщают о любых происшествиях своим руководителям и в службу эксплуатации. После чего производится проверка объекта и принимается решение, что нужно сделать, чтобы устранить причину отклонений. Обычно в таких ситуациях проводят технические работы или ремонт, но если отклонения оказываются критичные, объект могут вывести из эксплуатации.

Этапы реализации

Систему создавали в несколько этапов:

• начали исследовать изменение климата в регионах деятельности «Норникеля»;
• расширили работу по изучению многолетнемерзлых грунтов;
• разработали и ввели в эксплуатацию систему мониторинга и информационно-диагностическую систему.

Климат. Чтобы оценить, как меняется климат, и спрогнозировать дальнейшую динамику, «Норникель» провел исследование с участием ученых-климатологов Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН. Рассматривали регионы деятельности «Норникеля», в том числе город Норильск и его окрестности.

Специалисты проанализировали данные местных метеостанций с 1966 по 2020 год. Оказалось, что во всех регионах выросла средняя температура воздуха и увеличилась частота дней с нетипично высокой для данного региона температурой. А также участились сильные осадки и грозы.

По итогам исследования ученые спрогнозировали, что к 2050 году средняя температура воздуха в Норильске повысится на 1,5°C.

Многолетнемерзлые грунты. Специалисты компании изучили их текущее состояние. Вечная мерзлота неоднородная, поэтому пришлось исследовать землю буквально под каждым сооружением. В результате удалось узнать состав, свойства и температурный режим грунтов, глубину сезонного оттаивания, а также в некоторых районах условия залегания подземных вод.

После этого были комплексно обследованы фундаменты и строительные конструкции на территории Норильского промышленного района и был составлен перечень дефектов и отклонений от проектных показателей.

Информационно-диагностическая система. На основе всех полученных данных сотрудники компании разработали программы геотехнического мониторинга объектов и критерии безопасности с учетом их индивидуальных геотехнических характеристик — конструктивных особенностей, состояния грунта под ними и окружающих построек.

В 2021 году специалисты установили 1200 датчиков на 165 объектах на территории Таймырского полуострова, в том числе пробурили 417 температурных скважин в грунтах и разместили термогигрометры в подпольях. Кроме того, было изучено техническое состояние этих объектов и разработаны соответствующие критерии безопасности.

В 2022 году была введена в эксплуатацию информационно-диагностическая система, которая собирает и анализирует данные с измерительных приборов, установленных на объектах. Также компания запустила диспетчерский пункт и полностью отладила процесс наблюдения. А все ответственные сотрудники прошли обучение работе с системой мониторинга в корпоративном университете.

Результаты

В начале 2024 года к системе мониторинга было подключено уже 950 объектов в Норильском промышленном районе, из которых 218 мониторятся в автоматизированном режиме, а остальные — пока в ручном. Программа используется на 17 предприятиях компании, и с ней работают более 600 сотрудников.

Также в информационно-диагностическую систему заводятся данные мониторинга грунтов, находящихся за пределами городской застройки. Благодаря этому можно оценить, как климат влияет на деградацию вечной мерзлоты. На начало 2024 года для наблюдений пробурили уже 23 скважины.

Главное преимущество системы мониторинга в том, что она позволяет вовремя получить информацию, что что-то не так, выехать на место и предотвратить аварию. Например, в сентябре 2023 года на Норильской нефтебазе сработали термокосы в районе одного из цехов. Были выявлены течи паропровода, которые повышали температуру грунтов. Неисправность устранили, после чего температура со временем снизилась и вернулась в нормативное состояние. А на Дудинской нефтебазе в октябре 2023 года на резервуаре дизельного топлива сработали инклинометры — приборы, которые определяют пространственное положение элементов сооружений. Сотрудники компании обследовали резервуар наземным лазерным сканером и выявили слишком сильные отклонения стенок от вертикали, а также вмятины недопустимой величины. В итоге сооружение перестали использовать и запланировали ремонт.

Всего в 2022 году компания вывела из эксплуатации 15 зданий, из них шесть пришлось демонтировать, а в девяти начали капитальный ремонт. В 2023 году были приведены в нормативное состояние технические подполья, усилены и отремонтированы фундаменты, а также восстановлен температурный режим грунтов-оснований на множестве объектов.

Планы и перспективы

До 2030 года «Норникель» собирается включить в систему мониторинга порядка 1500 объектов, в том числе четыре хвостохранилища, насосные станции, электрические подстанции, трубопроводы, железнодорожные пути, мосты и газопроводы. Общий бюджет проекта по состоянию на 2023 год оценивается в ₽3 млрд.

Кроме того, компания планирует усовершенствовать имеющуюся аппаратуру. На сегодня измерительные приборы, установленные на объектах, работают до минус 50°С. Однако зимой в Норильском промышленном районе возможны и более низкие температуры. Например, абсолютный минимум в январе — минус 56,1°С, в феврале — минус 52,3°С. Поэтому компания заинтересована в том, чтобы были разработаны датчики, способные функционировать при таких низких температурах.

В среднесрочной перспективе «Норникель» намерен передавать данные фонового мониторинга многолетнемерзлых грунтов для научных исследований. Например, чтобы оценивать, как природные и техногенные факторы влияют на температуру грунтов, и делать на основе этого прогнозы о том, насколько будут устойчивы здания при разных сценариях изменения климата. Интерес к проекту уже высказали Заполярный государственный университет им. Н.М. Федоровского, МГУ им. М.В. Ломоносова и другие научно-исследовательские и образовательные учреждения.