Μελέτη της τρωτότητας αγωγών φυσικού αερίου υπό αξονική εδαφική μετατόπιση λόγω κατολισθήσεων

Abstract

Οι υδρογονάνθρακες αποτελούν, αναμφισβήτητα, την πηγή ενέργειας του 21ου αιώνα. Εξάγονται από κοιλότητες μέσα στο έδαφος –τα κοιτάσματα υδρογονανθράκων- και μεταφέρονται στα κέντρα κατανάλωσης με διάφορους τρόπους, ένας εκ των οποίων είναι και οι αγωγοί. Το φυσικό αέριο είναι μία ενεργειακή πηγή που ανήκει στους υδρογονάνθρακες και η μεταφορά του μέσω αγωγών μπορεί να γίνει για χιλιάδες χιλιόμετρα διατηρώντας το σε αέρια κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο είναι έτοιμο προς κατανάλωση χωρίς να απαιτείται κάποια επεξεργασία μετά την μεταφορά του μέσω των αγωγών. Στην ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης και της Ανατολικής Μεσογείου υπάρχουν ή βρίσκονται υπό σχεδιασμό πάρα πολλοί αγωγοί φυσικού αερίου, προκαλώντας έντονες γεωπολιτικές συγκρούσεις μεταξύ κρατών αλλά και εταιρειών. Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι οι αγωγοί φυσικού αερίου αποτελούν τεχνικά έργα μεγάλης σπουδαιότητας και ότι μία πιθανή αστοχία κατά τη λειτουργία τους είναι ικανή να προκαλέσει ανυπολόγιστες ζημιές στην κοινωνία, στην οικονομία και στο περιβάλλον. Ένας από τους μεγαλύτερους κινδύνους που καλούνται να αντιμετωπίσουν τα λεγόμενα και δίκτυα κοινής ωφέλειας (lifelines) όπως είναι αυτά των αγωγών φυσικού αερίου είναι ο σεισμικός και ειδικά οι μόνιμες εδαφικές μετακινήσεις (Permanent Ground Displacement – PGD) που μπορούν να προκληθούν μέσω αυτού λόγω κατολισθήσεων, μετακίνησης ρήγματος ή ρευστοποίησης. Η ανάγκη αντιμετώπισης του κινδύνου αυτού οδήγησε, τις τελευταίες δεκαετίες, στην ανάπτυξη διεθνών και εθνικών κανονισμών για τον αντισεισμικό σχεδιασμό αγωγών φυσικού αερίου, όπως για παράδειγμα το πρότυπο ISO, ο Ευρωκώδικας 8 και ο American Lifelines Alliance (ALA). Προφανώς, η πιο ασφαλής μέθοδος για την αποφυγή της καταπόνησης λόγω ένονων σεισμικών εδαφικών μετακινήσεων είναι η παράκαμψη των κρίσιμων περιοχών. Παρόλα αυτά, η επιλογή αυτή δεν είναι πάντοτε δυνατή και βέβαια συνήθως είναι τεχνο-οικονομικά ασύμφορη, οπότε άλλες μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι η ενίσχυση του εδάφους, η χρήση καλύτερου υλικού για τον αγωγού, κ.α. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (FEM) αποτελεί ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για την προσομοίωση αγωγών που υπόκεινται σε καταπόνηση λόγω μόνιμων εδαφικών μετακινήσεων, καθώς και για την διερεύνηση πιθανών εναλλακτικών λύσεων για την αποφυγή της αστοχίας τους όταν η παράκαμψη μιας κρίσιμης περιοχής δεν είναι δυνατή. Ο κανονισμός ALA παρέχει την απαιτούμενη μεθοδολογία για μία τέτοια διαδικασία. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η προσομοίωση αγωγού φυσικού αερίου που καταπονείται από κατολίσθηση παράλληλα στον άξονά του. Ο αγωγός θεωρείται θαμμένος σε χερσαίο πρανές απείρου και πεπερασμένου μήκους για διάφορες γωνίες κλίσης, ιδιότητες υλικών, εσωτερικές πιέσεις και λόγους διαμέτρου προς πάχους διατομής. Επιπλέον, διερευνάται η συμπεριφορά αγωγού με σιγμοειδή καμπύλωση σε διάφορες θέσεις κατά μήκος της ζώνης κατολίσθησης η οποία προτείνεται ως μέτρο αντιμετώπισης έναντι του παραπάνω κινδύνου.

Hydrocarbons are undoubtedly the energy source of the 21st century. The distance between the deposits and the urban and industrial areas can be overcome with high pressure onshore and/or offshore pipelines. Natural gas can be transferred through pipelines for thousands of kilometers in gaseous state, thus, it can be immediately used. Such pipelines already exist, or are being constructed planed in Europe and East Mediterranean, leading also to geopolitical conflicts between states and big companies. Such pipelines are very important and any potential damage can cause devastating problems to the society, the economy and the environment. Earthquakes and the resulting Permanent Ground Deformation (PGD) is one of the most important geohazards that a pipeline needs to endure. During the last decades, several international and national design standards have been developed for seismic design of pipelines, such as ISO, Eurocode 8 and American Lifelines Alliance (ALA). Perhaps, the safest way to avoid a possible failure of a pipeline due to earthquake geohazards is to avoid critical areas. If that is not feasible and techno-economically viable, then other techniques have to be used, such as soil strengthening, usage of better materials, isolating the pipe, etc. Finite Element Method (FEM) is a very useful tool for simulating a pipeline under PGD and possible alternative solutions for its protection based on standards such as ALA. The objective of the current study is the simulation of a pipeline when it is imposed in a landslide parallel to its axis. The pipeline is considered as buried onshore and is investigated for infinite and finite sloping areas several angles, material properties, internal pressures and diameter to thickness ratios. Additionally, the potential beneficial role of a double sigmoid curvature in different positions along the landslide zone is investigated as an alternative mitigation measure.