Формула агрессивности, или о том, как микробы чуть не съели газопровод и киевское метро

Не так давно в Украине взорвался газовый трубопровод, наглядно напомнив еще раз, что с транспортом в стране далеко не все в порядке. В связи с этим вспомнили, что оборудование в стране изношено, по крайней мере, на 75 процентов. А если учесть, что по нашей территории проходит 36 тысяч километров только магистральных трубопроводов, можно представить, на какой пороховой бочке мы живем.

На круглый стол, организованный редакцией еженедельника «Зеркало недели», были приглашены ведущие специалисты Украины, которые занимаются исследованием причин микробной коррозии металлов и работают в сложных подземных условиях: сотрудницы отдела общей почвенной микробиологии Института микробиологии и вирусологии НАНУ Ирина КОЗЛОВА и Лариса ПУРИШ, а также крупнейший специалист по проверке технического состояния трубопроводов Юрий КУЗЬМЕНКО.

— Сколько лет еще будут работать украинские трубопроводы — ведь срок их гарантированной работы уже подходит к концу?

Ю.К. — Однажды я сам поставил себе такой вопрос и попробовал получить на него квалифицированный ответ у специалистов. Оказалось, государство установило срок жизни трубопроводу 33 года. Но почему именно столько? Я пытался выяснить это в Институте электросварки им. Е.Патона, на заводах у изготовителей труб, и получил ответ: нет. Откуда же взялись эти 33 года?

В «Газпроме» мне объяснили: все очень просто — это определила бухгалтерия. Дело в том, что установлено три процента амортизации в год — вот и получается 33 года. Но реально трубопровод может работать гораздо дольше. Так, трубопровод Дашава—Киев работал более 60 лет. Но его строительство окружено мифами. Можно услышать, что его строили немцы и там использовались какие-то специальные американские трубы. Харьковские специалисты мне сказали, что они изучали стресс-коррозию в местах сварки и обнаружили, что ее нет. То есть трубопровод варили так, что в местах швов нет напряжения…

Как бы там ни было, но этот, самый старый в нашей стране трубопровод еще в рабочем состоянии. Вообще считается, что трубопровод может работать до 80 лет, если вовремя находить в нем свищи и устранять их. То есть штопать трубопроводы нужно своевременно.

— Юрий Алексеевич, вы могли бы сравнить амортизацию наших трубопроводов с тем состоянием, в каком они находятся, к примеру, в других странах СНГ?

Ю.К. — Почти 40 лет я проверяю состояние трубопроводов, имею опыт исследования их состояния в Средней Азии, Подмосковье и могу с уверенностью утверждать, что в Украине самая высокая промышленная культура обслуживания трубопроводов. Так, из Средней Азии к нам основные экспортные поступления приходили и приходят по трубопроводам. Однако там всегда регистрировался очень высокий уровень аварий. В этом регионе мне приходилось фиксировать коррозию со скоростью в четыре миллиметра в год. И это при толщине трубы 12 мм. Понятно, почему через три года на этом трубопроводе произошел взрыв. Впрочем, и это еще не предел скорости корродирования — труба может выйти из строя за несколько месяцев.

Вообще-то коррозия — явление вполне естественное. Металл, который люди добыли из руды, возвращается в свое естественное состояние, в котором он пребывает в природе. Кстати, для того чтобы она происходила, необходимы те же причины, которые нужны для жизни: наличие воды, воздуха, комфортной температуры…

И.К. — А разве коррозия угрожает только трубопроводам? Мы впервые столкнулись с проблемой разрушения металла под землей на примере киевского метро. Вообще-то раньше в отделе общей и почвенной микробиологии Института микробиологии и вирусологии НАНУ мы занимались проблемами различных сельскохозяйственных растений и даже не предполагали, что со временем станем заниматься проблемами метро, газовых трубопроводов, фундаментов домов…

В конце 1969 года украинское правительство специальным постановлением обратило внимание ученых на то, что в Киевском метрополитене на участке Большевик—Октябрьская (теперь это Шулявская—Берестейская) на глубине 104 метров готовые тоннели плавают в… серной кислоте.

Здесь надо бы отметить, что особенность киевского рельефа в том, что город стоит на холмах, а под ними много подземных рек, ручьев, озер. И строителям на этом участке пришлось столкнуться с подземным озером. Началась дискуссия: заморозить грунт или же методом кессонной проходки оттеснить эту воду и поставить чугунные тюбинги? Выбрали более дешевый кессонный способ. Однако за четыре месяца до сдачи тоннеля в эксплуатацию было обнаружено, что 200 тысяч массивных крепежных болтов буквально разъедены. Почему? Откуда такая агрессивная ржавчина? Никто не знал. Удалось только установить, что подземное озеро на этом участке состоит буквально из серной кислоты. Притом кислота, окружавшая тоннель, была достаточно крепкой — она обжигала при попытке попробовать ее на язык. Неудивительно, что за полтора года были съедены и обсадные трубы — таковы последствия экстремальной коррозийной ситуации, которая сложилась в Киевском метрополитене на данном участке. И это притом, что к годовщине Октябрьской революции (1969 г.) тоннели должны были сдать в эксплуатацию. Тогда подобные сроки были священной коровой, посягнуть на которую и в мыслях было нельзя. Пришлось срочно искать причину.

Попытки объяснить все тем, что какой-то злоумышленник слил под землю целое озеро серной кислоты, казались несерьезными. Поэтому объяснение предложили дать ученым. Подключили к работе Академию наук Украины. Среди прочих исследователей к работе привлекли и микробиологов. Работу возглавила членкорр НАНУ Екатерина Андреюк. Нам сказали, что на глубине 104 метра находятся пески так называемых полигеновых отложений. В этом ничего удивительного не было — фактически именно такие отложения можно встретить на всей территории Украины. Их особенностью является то, что в них содержится много соединений серы и железа. Микробиологи знают: если где-то появляется непонятно откуда взявшаяся серная кислота, причиной может быть группа пионовых бактерий.

Л.П. — Эти бактерии совсем неказистые, очень маленькие — до микрона, но очень подвижные. Для размножения им нужно закисное сернокислое железо. Окисление проходит с помощью реакции гидролиза, при котором на одну молекулу железа образуется шесть молекул серной кислоты. Причем процесс идет необычайно быстро — в тысячи раз быстрее, чем химический.

И.К. — Все было настолько серьезно, что тогда даже ставился вопрос о том, чтобы изменить трассу, поскольку в серной кислоте эксплуатировать тоннели из металла казалось безумием. Но, конечно, объяснять метростроевцам, что виной всему какие-то микробы было делом неблагодарным. Убедить их можно было только на промышленном эксперименте. Чтобы проверить эту гипотезу, мы в лаборатории промоделировали условия кессона и доказали, во всяком случае сами себе, что появление кислоты в тоннеле действительно имеет биогенную природу.

Но чтобы окончательно убедиться, что это происходит не только в лаборатории, но и в природе, пришлось метростроевцам пробурить скважину на глубину 100 метров. В нее мы в течение нескольких месяцев накачивали кислород и повторили условия кессона. И если поначалу в этой скважине было ничтожно маленькое количество бактерий, то вскоре оно резко увеличилось, при этом многократно возросло содержание серной кислоты. Таким образом мы смогли убедить метростроителей, что именно бактерии способствуют изменению подземной ситуации. Результатом нашей работы стали конкретные рекомендации: сделать водопонижающие скважины, кислую воду заменить нейтральной, поменять 200 тысяч болтов и изготовить внутри тоннеля специальную полимерную рубашку.

Л.П. — Когда будете ехать в метро, обратите внимание на участке Шулявская—Берестейская на просвет между тюбингами — там можно увидеть эту рубашку.

А потом сотрудники отдела общей почвенной микробиологии еще в течение пяти лет вели регулярные наблюдения за тоннелем: брали пробы воды, делали химические и микробиологические анализы и выясняли, как меняется количество бактерий в грунте возле тоннеля после выполнения наших рекомендаций.

Итогом всех этих мероприятий стало то, что удалось ликвидировать угрозу влияния серной кислоты. Вообще-то со временем она постепенна исчезла бы сама из-за естественного круговорота воды, но к тому времени микробы… съели бы весь метрополитен.

И.К. — Мы хорошо изучили повадки бактерий, охочих до металла, и даже вывели математический закон — специальную формулу агрессивности бактерий. Она показывает скорость нормализации среды в зависимости от различных условий, которые представлены в формуле. После окончания этих работ нашим рекомендациям следовали весьма часто при проведении аналогичных работ под землей. Так, например, когда в Киеве прокладывали тоннель метро на Лыбедскую, то кессонный метод даже не обсуждали — сразу занялись замораживанием. И при строительстве Харьковского метрополитена, где есть аналогичные грунты, также применяли замораживание на сложных участках или просто выбирали грунт.

Как говорится, аппетит приходит во время еды — после завершения этого этапа работы мы поняли, что бактерии, которые осуществляют круговорот серы в природе, очень важны и во многих других процессах в почве. Мы более основательно изучили научную литературу на эту тему и пришли к выводу, что имеем дело с глобальной проблемой на планете — сохранением газопроводов, нефтепроводов и других подземных магистралей.

Ю.К. — У нас в стране эксплуатируются 50 и 75-атмосферные трубопроводы. Погонный метр такого полутораметрового газопровода весит до 800 кг. Немало! Но взрыв разворачивает его в лист длиною метров сто. Вот какая силища образуется при взрыве газа! Поэтому когда начались разговоры о проектах создания труб на давление газа в 100 атмосфер, Борис Патон привел убедительный пример — взрыв даже 75-атмосферного трубопровода по мощности аналогичен взрыву тактического ядерного оружия…

— А из-за чего взрывается трубопровод? Для этого достаточно в нем небольшой дырочки из-за коррозии?

Ю.К. — Нет, этого недостаточно. Хотя когда вы будете находится вблизи такой «дырочки», то услышите страшный шум, превосходящий по своей силе движение проходящего рядом поезда — с таким грохотом вырывается газ под давлением из трубы. Но когда вся система ослабеет из-за множества каверн, тогда происходит взрыв. Вмиг освобождается сумасшедшая энергия! Земля от этого спекается вокруг и превращается в керамику.

Чтобы не было своеобразной цепной реакции на трубопроводах, компрессорные станции расположены друг от друга на расстоянии 110—120 км. Пока газ во взорвавшемся участке выгорает, магистральный поток пускают по другим ниткам.

— Насколько велики материальные потери от такого взрыва?

Ю.К. — Когда произошли первые взрывы на трубопроводе Бухара—Урал, выяснилось, что основные потери происходят не от потери газа и ремонта трубы. Самые большие потери составляют траты, которые ложатся на тех, кто использует этот газ. Во время аварии, о которой я сказал, газ поступал на завод, где производили металл для космических аппаратов, и доменные печи заглохли. При этом потери составили миллиарды рублей.

В 70-е годы в Иране произошел взрыв на трубопроводе, который подавал газ в СССР. Была осень, газ предназначался для санаториев. Тогда тысячи людей заболели из-за простуды. Это было ощутимо. Поэтому основные траты все-таки вторичные. А потери от самого взрыва не такие уж существенные — мы научились перебрасывать газ с одной трубы на другую, увеличиваем его давление, кроме того, имеется много подземных хранилищ. Это позволяет компенсировать потери, чтобы никто не ощутил неудобства из-за взрыва. Кстати, только в США есть подземные хранилища большей емкостью, чем в Украине.

Л.П. — В развитых странах потери от коррозии трубопроводов составляют десятки млрд. долларов ежегодно. Только в последнее время — всего за пять лет — на магистральных трубопроводах Украины произошло 52 аварии. Причем от 50 до 80 процентов всех взрывов происходит из-за деятельности бактерий. Вот какой масштаб и цена проблемы!

И.К. — Вообще-то коррозия — это не то, чем особенно гордятся строители во всем мире. Каждая фирма старается скрыть реальное состояние дел. Американцы только раз в 80-х годах высветили, что у них потери от коррозии обходятся в 120 млрд. долларов. И еще один раз в программе «Время» в те же годы прозвучало, что убытки от коррозии в СССР составляют 80 млрд. рублей. Неудивительно, что один из известных американских бизнесменов как-то сказал: коррозия в нефтегазовой промышленности — это дыры в карманах индустрии.

Мы обследовали грунт на многих участках возле трубопроводов и обнаружили, что удельное сопротивление грунта там, где произошел взрыв, очень низкое. А на спокойном участке оно в сотни раз выше. В месте взрыва находятся миллиарды бактерий в одном грамме грунта и в продуктах коррозии, а на спокойном участке — на несколько порядков ниже. Сотни клеток и миллиарды! Найденная нами математическая формула агрессивности среды позволила в определенной мере прогнозировать судьбу трубопроводов.

Была предложена пятиступенчатая градация агрессивности грунтов, позволяющая оценить их с точки зрения коррозионной опасности. Так, если критерий агрессивности больше десяти, это уже повод для тревоги — взрывоопасная ситуация на трубопроводе. Таким образом мы смогли предсказать взрывы в Поволжье.

Ситуация там разворачивалась очень динамично — мы летели над пятью нитками трубопроводов и вдруг увидели облако, которое парит над ними. Приземлились, взяли пробы и обнаружили: критерий агрессивности — 12. Предупредили эксплуатационщиков. Но они не поверили, что какие-то микробы съедят трубу…

Однако прошло немного времени и там рвануло. Но зато компрессорную станцию, где проходит пять ниток газопроводов, по нашему совету закрыли на ремонт.

Ю.К. — Облако с вертолета над местом свища можно и не обнаружить, но там могут быть другие признаки — не растет пшеница и другие растения. Что хотел бы отметить особо — беда микробиологической коррозии в том, что защитный электрический потенциал, который спасает трубопроводы от обычной коррозии, на нее не влияет. Микробы здесь сами всем распоряжаются. Они могут проникнуть сквозь покрытие в одном месте и распространиться очень далеко. К тому же определить его стандартными методами нельзя. Все это требует изучения сложного комплекса вопросов, о которых и не подозревали те, кто прокладывал первые трубопроводы.

Конечно, сейчас уже разработаны многочисленные и очень надежные изоляционные покрытия для данных сооружений. Теоретически они должны служить столько, сколько и трубопровод. Но «лучшие друзья» трубопроводов — бактерии — тоже не дремлют. Поэтому приходится разрабатывать и вносить различные биоциды и ингибиторы, которые смогли бы уничтожать эти бактерии. В результате всех этих исследований выпущены стандарты (по СНГ и Украине) обнаружения микробной коррозии, разработан стандарт по биостойкости материалов и методов испытаний покрытий, чтобы пролонгировать их работу. Разработаны ингибиторы и биоциды, которыми можно защитить покрытие и сделать его биостойким.

Мы научились делать профилактический ремонт трубопроводов, менять проржавевшие участки. В некоторых местах приходится даже вынимать грунт вокруг трубопроводов и менять его на неагрессивный, например, песок, в котором бактерии чувствуют себя некомфортно.

И.К. — Вначале мы и не представляли, насколько эта тема окажется актуальной. Теперь мы знаем, что по тем же причинам гниют и фундаменты домов. К примеру, когда строили гостиницу «Киев», под ее фундамент завозили чистейший песок, дабы оградить здание от всяких неожиданностей.

Кроме того, мы ездили на Кубу и изучали там причины коррозии линий правительственной связи. Оказалось, что проблемы здесь также создавала микробная коррозия. Голландцы, прочитав наши публикации в немецких журналах, ухватились за нашу формулу определения агрессивности. Но у них газопроводы пролегают фактически в воде и условия там несколько иные. Мы им посоветовали сосредоточить усилия на исследовании биопленки.

Недавно пришлось поработать и над проблемами Киева — на Троещине и Оболони из горячего крана идет либо зеленая, либо черная слизь с запахом сероводорода. Удалось установить: это связано с тем, что в латунные трубы вода идет прямо из артезианских скважин и частично из Десны без подготовки. А когда бактерии попадают в теплую трубу, у них начинается праздник жизни — микробная слизь растет и закупоривает все трубы. Просвет уменьшается. Правда, до коррозии дело еще не дошло, но потребитель горячей воды кричит «караул!». Каждые три месяца надо чистить трубы. Это потому, что вода никак не обрабатывается. Вот и здесь хотели сделать лучше, а получилось…

Но наше коммунальное хозяйство заслуживает отдельного разговора. У микробиологов здесь еще непочатый край работы.