Формула агресивності, або про те, як мікроби мало не з’їли газопровід і київське метро

Недавно в Україні вибухнув газовий трубопровід, вкотре наочно нагадавши, що з транспортом у країні далеко не все гаразд. У зв’язку з цим згадали: обладнання в країні зношене принаймні на 75 відсотків. А коли зважити, що нашою територією проходять 36 тисяч кілометрів тільки магістральних трубопроводів, можна уявити, на якій пороховій бочці ми живемо.

На круглий стіл, організований редакцією щотижневика «Дзеркало тижня», запросили провідних фахівців України, які досліджують причини мікробної корозії металів і працюють у складних підземних умовах: співробітниць відділу загальної грунтової мікробіології Інституту мікробіології й вірусології НАНУ Ірину КОЗЛОВУ та Ларису ПУРИШ, а також відомого фахівця з перевірки технічного стану трубопроводів Юрія КУЗЬМЕНКА.

— Скільки ще років працюватимуть українські трубопроводи — адже термін їх­ньої гарантованої роботи вже спливає?

Ю.К. — Якось я сам поставив собі таке запитання й спробував дістати на нього кваліфіковану відповідь у фахівців. Виявилося, держава встановила термін життя трубопроводу 33 роки. Але чому саме стільки? Я намагався з’ясувати це в Інституті електрозварювання ім. Є.Патона, на заводах у виробників труб, і дістав відповідь: ні. Звідки ж узялися ці 33 роки?

У «Газпромі» мені пояснили: все дуже просто — це визначила бухгалтерія. Річ в тому, що встановлено три відсотки амортизації на рік — от і виходить 33 роки. Але реально трубопровід може працювати набагато довше. Так, трубопровід Дашава — Київ працював понад 60 років. Але його будівництво оточено міфами. Можна почути, що його будували німці й там використовували якісь спеціальні американські труби. Харківські фахівці розповіли мені, що вони вивчали стрес-корозію в місцях зварювання й виявили, що її немає. Тобто трубопровід варили так, що в місцях швів немає напруги...

Хай там як, але цей, най­старіший у нашій країні, трубопровід ще в робочому стані. Взагалі вважається, що трубопровід може працювати до 80 років, коли вчасно знаходити в ньому свищі й усувати їх. Тобто латати трубопроводи треба своєчасно.

— Юрію Олексійовичу, чи могли б ви порівняти амортизацію наших трубопроводів із тим станом, у якому вони перебувають, приміром, в інших країнах СНД?

Ю.К. — Майже 40 років я перевіряю стан трубопроводів, маю досвід дослідження їх стану в Середній Азії, Підмосков’ї й можу з упевненістю стверджувати, що в Україні найвища промислова культура обслуговування трубопроводів. Так, із Середньої Азії до нас основні експортні надходження надходили й надходять по трубопроводах. Проте там завжди реєструвався дуже високий рівень аварій. У цьому регіоні мені доводилося фіксувати корозію зі швидкістю чотири міліметри на рік. І це при товщині труби 12 мм. Зрозуміло, чому через три роки на цьому трубопроводі стався вибух. Утім, і це ще не межа швидкості кородування — труба може вийти з ладу за декілька місяців.

Загалом корозія — явище цілком природне. Метал, який люди добули з руди, повертається у свій природний стан, в якому він перебуває в природі. До речі, щоб корозія відбувалася, потрібні ті ж самі причини, як і для життя: наявність води, повітря, комфортної температури…

І.К. — А хіба ж корозія загрожує тільки трубопроводам? Ми вперше зіштовхнулися з проблемою руйнації металу під землею на прикладі київського метро. Загалом раніше у відділі загальної й грунтової мікробіології Інституту мікробіології й вірусології НАНУ ми займалися проблемами різноманітних сільськогосподарських рослин і навіть не припускали, що згодом почнемо займатися проблемами метро, газових трубопроводів, фундаментів будинків...

Наприкінці 1969 року український уряд спеціальною постановою привернув увагу вчених до того, що в Київському метрополітені на ділянці «Більшовик» — «Жовтнева» (тепер це «Шулявська» — «Берестейська») на глибині 104 метрів готові тунелі плавають у... сірчаній кислоті.

Тут треба зазначити: особливість київського рельєфу в тому, що місто стоїть на пагорбах, а під ними багато підземних річок, струмків, озер. І будівельники на цій ділянці натрапили на підземне озеро. Почалася дискусія: заморозити грунт чи ж методом кесонної проходки відтіснити цю воду й поставити чавунні тюбінги? Вибрали дешевший кесонний спосіб. Проте за чотири місяці до здачі тунелю в експлуатацію виявили, що 200 тисяч масивних кріпильних болтів буквально роз’їдені. Чому? Звідки така агресивна іржа? Ніхто не знав. Удалося тільки встановити, що підземне озеро на цій ділянці складається буквально з сірчаної кислоти. Причому кислота, яка оточувала тунель, була досить міцною — вона обпікала при спробі скуштувати її на язик. Не дивно, що за півтора року були з’їдені й обсадні труби — такі наслідки екстремальної корозійної ситуації, яка виникла в Київському метрополітені на цій ділянці. І це при тому, що до річниці Жовтневої революції (1969 р.) тунелі мали здати в експлуатацію. Тоді такі строки були священною коровою, зазіхнути на котру й у думках було зась. Довелося терміново шукати причину.

Спроби пояснити все тим, що якийсь зловмисник злив під землю ціле озеро сірчаної кислоти, здавалися несерйозними. Тому пояснення запропонували дати вченим. Залучили до роботи Академію наук України. Серед інших дослідників до роботи залучили й мікробіологів. Роботу очолила член-кореспондент НАНУ Катерина Андреюк. Нам сказали, що на глибині 104 метри знаходяться піски так званих полігенових відкладень. У цьому нічого надзвичайного не було — фактично саме такі відкладення можна зустріти на всій території України. Їхньою особливістю є те, що в них міститься багато сполук сірки й заліза. Мікробіологи знають: якщо десь незрозуміло звідки з’являється сірчана кислота, причиною може бути група піонових бактерій.

Л.П. — Ці бактерії зов­сім непоказні, дуже маленькі — до мікрона, але дуже рухливі. Для розмноження їм потрібно закисне сірчанокисле залізо. Окислювання відбувається з допомогою реакції гідролізу, за якого на одну молекулу заліза утворюється шість молекул сірчаної кислоти. Причому процес відбувається надзвичайно швидко — у тисячі разів швидше, ніж хімічний.

І.К. — Усе було настільки серйозно, що тоді навіть йшлося про те, щоб змінити трасу, оскільки в сірчаній кислоті експлуатувати тунелі з металу здавалося божевіллям. Але, звичайно, пояснювати метробудівцям, що винуваті в усьому якісь мікроби, — то була марна справа. Переконати їх можна було тільки на промисловому експерименті. Щоб перевірити цю гіпотезу, ми в лабораторії промоделювали умови кесона й довели, принаймні самі собі, що поява кислоти в тунелі справді має біогенну природу.

Проте, аби остаточно переконатися, що це відбувається не тільки в лабораторії, а й у природі, довелося метробудівцям пробурити свердловину на глибину 100 метрів. У неї ми протягом кількох місяців накачували кисень і повторили умови кесона. І якщо спочатку у сверд­ловині була мізерно мала кількість бактерій, то незабаром вона різко збільшилася, при цьому багаторазово зріс вміст сірчаної кислоти. Таким чином ми змогли переконати метробудівців, що саме бактерії сприяють зміні підземної ситуації. Результатом нашої роботи стали конкретні рекомендації: зробити водознижувальні свердловини, кислу воду замінити нейтральною, поміняти 200 тисяч болтів і виготовити всередині тунелю спеціальну полімерну сорочку.

Л.П. — Коли будете їхати в метро, зверніть увагу на ділянці “Шулявська” —“Берестейська” на просвіт між тюбінгами — там можна побачити цю сорочку.

А потім співробітники відділу загальної грунтової мікробіології ще протягом п’яти років вели регулярні спостереження за тунелем: брали проби води, робили хімічні й мікробіологічні аналізи й з’ясовували, як змінюється кількість бактерій у грунті біля тунелю після виконання наших рекомендацій.

Результатом усіх цих заходів стала ліквідація загрози впливу сірчаної кислоти. Загалом згодом вона помалу зникла б сама через природний круговорот води, але на той час мікроби… з’їли б увесь метрополітен.

І.К. — Ми добре вивчили поведінку бактерій, охочих до металу, й навіть вивели математичний закон — спеціальну формулу агресивності бактерій. Вона показує швидкість нормалізації середовища залежно від різноманітних умов, які подані у формулі. Після закінчення цих робіт наших рекомендацій дотримувалися дуже часто під час проведення аналогічних робіт під землею. Так, коли в Києві прокладали тунель метро на «Либідську», то кесонний метод навіть не обговорювали — відразу вдалися до заморожування. І під час будівництва Харківського метрополітену, де є аналогічні грунти, також застосовували заморожування на складних ділянках або просто вибирали грунт.

Як кажуть, апетит приходить під час їди — після завершення цього етапу роботи ми зрозуміли, що бактерії, які здійснюють круговорот сірки в природі, дуже важливі й у багатьох інших процесах у грунті. Ми більш грунтовно вивчили наукову літературу на цю тему й дійшли висновку, що маємо справу з глобальною проблемою на планеті — збереженням газопроводів, нафтопроводів й інших підземних магістралей.

Ю.К. — У нас у країні експлуатуються 50- і 75-атмосферні трубопроводи. Погонний метр такого півтораметрового газопроводу важить до 800 кг. Чимало! Але вибух розвертає його в аркуш завдовжки метрів зі сто. От яка сила утворюється під час вибуху газу! Тому коли почалися розмови про проекти створення труб на тиск газу в 100 атмосфер, Борис Патон навів переконливий приклад — вибух навіть 75-атмосферного трубопроводу за потужністю аналогічний вибуху тактичної ядерної зброї...

— А через що вибухає трубо­провід? Для цього досить в ньому невеличкої дірочки через корозію?

Ю.К. — Ні, цього недостатньо. Хоча коли б ви опинилися поблизу такої «дірочки», то почули б страшний шум, який перевершує своєю силою рух проїжджаючого поруч поїзда — з таким гуркотом виривається газ під тиском із труби. Та от коли вся система ослабне через безліч каверн, тоді станеться вибух. Умить звільняється божевільна енергія! Земля від цього спікається й перетворюється на кераміку.

Щоб не було своєрідної ланцюгової реакції на трубопроводах, компресорні станції розміщено одну від одної на відстані 110—120 км. Поки газ у ділянці, яка вибухнула, вигорає, магістральний потік пускають іншими нитками.

— Наскільки великі матеріальні втрати від такого вибуху?

Ю.К. — Коли сталися перші вибухи на трубопроводі Бухара — Урал, з’ясувалося, що основні втрати бувають не від утрати газу й ремонту труби. Найбільше втрачають ті, хто користується цим газом. Під час аварії, про яку я сказав, газ надходив на завод, де виробляли метал для космічних апаратів, і доменні печі стали. При цьому втрати становили мільярди рублів.

У 70-ті роки в Ірані стався вибух на трубопроводі, який подавав газ до СРСР. Була осінь, газ призначався для санаторіїв. Тоді тисячі людей захворіли через застуду. Це було відчутно. Тому основні витрати все-таки вторинні. А втрати від самого вибуху не такі вже істотні — ми навчилися перекидати газ з однієї труби на іншу, збільшуємо його тиск, крім того, є багато підземних сховищ. Це дозволяє компенсувати втрати, щоб ніхто не відчув незручностей через вибух. До речі, тільки в США є підземні сховища більшою ємністю, ніж в Україні.

Л.П. — У розвинених країнах втрати від корозії трубопроводів становлять десятки мільярдів доларів щорічно. Тільки останнім часом — усього за п’ять років — на магістральних трубопроводах України сталися 52 аварії. Причому від 50 до 80 відсотків усіх вибухів відбуваються через діяльність бактерій. От який масштаб і ціна проблеми!

І.К. — Загалом корозія — це не те, чим надто пишаються будівельники в усьому світі. Кожна фірма намагається приховати реальний стан речей. Американці тільки раз у
80-х роках висвітлили, що в них втрати від корозії обходяться в 120 млрд. доларів. І ще один раз у програмі «Час» у ті ж роки пролунало, що збитки від корозії в СРСР становлять 80 млрд. рублів. Не дивно, що один із відомих американських бізнесменів якось сказав: корозія в нафтогазовій промисловості — це дірки в кишенях індустрії.

Ми обстежили грунт на багатьох ділянках біля трубопроводів і виявили, що питомий опір грунту там, де стався вибух, дуже низький. А на спокійній ділянці він у сотні разів вищий. У місці вибуху перебувають мільярди бактерій в одному грамі грунту й у продуктах корозії, а на спокійній ділянці — на кілька порядків менше. Сотні клітин і мільярди! Знайдена нами математична формула агресивності середовища дозволила певною мірою прогнозувати долю трубопроводів.

Було запропоновано п’ятиступеневу градацію агресивності грунтів, яка дозволяє оцінити їх із погляду корозійної небезпеки. Так, коли критерій агресивності понад десять, це вже привід для тривоги — вибухонебезпечна ситуація на трубопроводі. У такий спосіб ми змогли передбачити вибухи в Поволжі.

Ситуація там розгорталася дуже динамічно — ми летіли над п’ятьма нитками трубопроводів і раптом побачили хмару над ними. Приземлилися, взяли проби й виявили: критерій агресивності — 12. Попередили експлуатаційників. Але вони не повірили, що якісь мікроби з’їдять трубу...

Проте минуло трохи часу й там рвонуло. Зате компресорну станцію, де проходять п’ять ниток газопроводів, за нашою порадою закрили на ремонт.

Ю.К. — Хмару з вертольота над місцем свища можна й не виявити, але там можуть бути інші ознаки — не росте пшениця й інші рослини. Що хотів би зазначити окремо — біда мікробіологічної корозії в тому, що захисний електричний потенціал, який рятує трубопроводи від звичайної корозії, на неї не впливає. Мікроби тут самі всім розпоряджаються. Вони можуть проникнути крізь покриття в одному місці й поширитися дуже далеко. До того ж визначити це стандартними методами не можна. Все це потребує вивчення складного комплексу питань, про які й не підозрювали ті, хто прокладав перші трубопроводи.

Звичайно, тепер уже розроблено численні й дуже надійні ізоляційні покриття для цих споруд. Теоретично вони мають служити стільки, скільки й трубопровід. Але «найкращі друзі» трубопроводів — бактерії — теж не дрімають. Тому доводиться розробляти й вносити різноманітні біоциди й інгібітори, які змогли б знищувати ці бактерії. У результаті всіх цих досліджень випущено стандарти (по СНД й Україні) виявлення мікробної корозії, розроблено стандарт із біостійкості матеріалів і методів випробування покриттів, щоб пролонгувати їхню роботу. Розроблено інгібітори й біоциди, якими можна захистити покриття й зробити його біостійким.

Ми навчилися робити профілактичний ремонт трубопроводів, міняти ділянки, що проржавіли. Подекуди доводиться навіть виймати грунт навколо трубопроводів і замінювати його на неагресивний, наприклад, пісок, в якому бактерії почувають себе некомфортно.

І.К. — Спочатку ми й не уявляли, наскільки актуальною виявиться ця тема. Тепер ми знаємо, що з цих же причин гниють і фундаменти будинків. Приміром, коли будували готель «Київ», під його фундамент завозили найчистіший пісок, щоб захистити споруду від усіляких несподіванок.

Крім того, ми їздили на Кубу й вивчали там причини корозії ліній урядового зв’язку. Виявилося, що проблеми тут також створювала мікробна корозія. Голландці, прочитавши наші публікації в німецьких часописах, ухопилися за нашу формулу визначення агресивності. Але в них газопроводи пролягають фактично у воді й умови там трохи інші. Ми їм порадили зосередити зусилля на дослідженні біоплівки.

Нещодавно довелося працювати й над проблемами Києва — на Троєщині й Оболоні з гарячого крану тече або зелений, або чорний слиз із запахом сірководню. Вдалося встановити: це пов’язано з тим, що в латунні труби вода йде прямо з артезіанських свердловин і частково з Десни без підготовки. А коли бактерії потрапляють у теплу трубу, в них починається свято життя — мікробний слиз росте й закупорює всі труби. Отвір зменшується. Правда, до корозії діло ще не дійшло, але споживач гарячої води кричить: «Караул!». Кожні три місяці треба чистити труби. Це тому, що воду нічим не оброблюють. От і тут хотіли зробити краще, а вийшло...

Та наше комунальне господарство заслуговує на окрему розмову. У мікробіологів тут ще непочатий край роботи.