Необходимая суммарная производительность нефтесборных систем QΣ, м3/ч, участвующих в ликвидации аварии, определяется объёмом разлившейся нефти и заданным временем её сбора.
Расчёт QΣ, м3/ч, выполняется по формуле [22]:
QΣ = VΣ / tсб, (37) где VΣ – суммарный объём разлитой нефти, м3;
tсб – время сбора основной массы разлившейся нефти, ч (технологическое время работы составляет на акватории 10 ч).
Прогнозируемое количество жидких нефтяных отходов при аварии на нефтепроводе составит [22]:
VОЖ = VΣ · kэм, (38)
где kэм – коэффициент эмульсификации (1,0; 2,2; 3,5; 2,0 для нефти 1-, 2-, 3- и 4- й групп соответственно).
Количество сорбента Мсорб кг, рассчитывается по массе плёнки нефти, которая не может быть собрана нефтесборщиками, по формулам [23]:
Mсорб = Mпл / Спл, (39) где Мпл – масса плёнки нефти, собираемая сорбентами, т;
Ссп – сорбирующая способность, принятая равной 10 т/т;
Mпл = МнΣ· ρ (определена для наиболее неблагоприятной ситуации, когда вся поступающая к берегу нефть обрабатывается сорбентами).
МнΣ – масса разлившейся нефти, т.
Необходимое количество боновых заграждений и места их расположения определяются из условий их доставки и постановки в две линии, которые классифицируются как основная и запасная, в течение 6 часов по формуле:
Lбз = 0,5 · Lрек / cos (f), (40) где Lрек - ширина реки в паводковый период, м;
59
f - угол постановки бона, зависит от скорости течения реки, f = 0,05-0,9, для расчетов f принимать в соответствии с таблицей 20.
Таблица 20 - Угол постанови бона в зависимости от скорости течения реки
Скорость течения реки. м/с Угол постановки, градус
0-0,1 90
0,1-03 45
0,3-0,6 30
0,6-1,2 20
1.2-2,4 15
Необходимый объем емкостей для хранения собранной нефти определяется из условий обеспечения бесперебойной работы технических устройств сбора нефти/нефтепродуктов по формуле [23]:
Vсб = Vарн / (a·0,8) (41) где Vсб - объем емкостей для хранения собранной нефти/нефтепродукта, м3;
Vарн - расчетный максимальный объем разлива нефти/нефтепродуктов, м3; а - коэффициент эффективности работы технических средств сбора, характеризующий содержание нефти/нефтепродукта в собираемой смеси (нефть с водой), a=0,05 - 0,9, для расчетов принимать a=0,2;
0,8 —коэффициент, учитывающий, что заполнение емкости не должно превышать 80%.
При выполнении работ по ликвидации аварийного разлива нефти количество плавсредств Nпс, шт., определяется числом устанавливаемых боновых заграждений. одновременно каскадов боновых заграждений (не менее одного судна на каскад). Кроме того, необходимы дополнительно по меньшей мере два плавсредства для сбора нефтеводяной смеси и осуществления мониторинга в районе проведения аварийно-спасательной операции.
Необходимое количество нефтесборщиков и нефтесборных устройств определяется из условий сбора нефти/нефтепродуктов из разлива за 6 часов по формуле [23]:
Qсбора = Vарн / (a·3), (42)
где Qсбора - производительность технических средств сбора нефти, м3/с;
Vарн - расчетный максимальный объем разлива нефти /нефтепродуктов, м3;
60
а - коэффициент эффективности работы технических средств сбора, характеризующий содержание нефти/нефтепродукта в собираемой смеси (нефть с водой), a = 0,05-0,9, для расчетов принимать a = 0,2;
3 - нормативный коэффициент времени сбора, учитывающий, что для начала работ по сбору нефти потребуется 3 часа с момента обнаружения аварийного истечения.
Необходимый объем сорбентов для разового применения определяется из условий сбора 20% от аварийного разлива нефти, находящихся в труднодоступных местах, по формуле:
Vсорбента = 0,2× Vарн / j, (43)
где Vсорбента – объем сорбента, м3;
Vарн - расчетный максимальный объем разлива нефти/нефтепродуктов, м3; j - сорбирующая способность сорбента, для расчетов принимать j = 5;
0,2 - коэффициент, учитывающий, что собирается 20% аварийного разлива нефти.
Для очистки загрязненных поверхностей береговых сооружений, оборудования, спецодежды и обуви могут использоваться моющие средства и растворители, а в холодный период - пар, при этом должны приниматься меры предупреждения попадания в водоем смываемых нефтепродуктов и токсичных веществ. Принимается, что при вероятности загрязнения береговой черты свыше 10%, на каждые 3 км загрязнения требуется наличие [22]:
- 1 устройства для смыва нефтепродукта;
- 1 устройства для среза и вывоза грунта;
- 1 устройства для сбора смытой нефти и емкость сбора (допускается применение мелководных барж, катеров, скиммеров - 1 на каждые 10 км).
Расчет необходимого количества устройств, для отчистки загрязненной береговой черты реки, представлен в таблице 21.
Таблица 21 – Требуемое количество устройств
Наименование устройства Расстояние, пройденное нефтью, км
3 6 9
для смыва нефтепродукта 1 2 3
для среза и вывоза грунта 1 2 3
для сбора смытой нефти и емкость сбора
1 1 1
61
В таблицах 22-23 представлено требуемое количество сил и средств для ликвидации разлива нефти.
Таблица 22 – Требуемое количество оборудования
Наименование средств ЛАРН Единица
измерения Количество
Боновые заграждения м до 500
Нефтесборщики (сумм.
производительность)
м3/час до 200
Емкости (сумм. емкость) м3 до 2000
Катер шт 0 - 2
Лодка шт 1 - 2
Ручной нефтесборщик шт 1 - 2
Мотопомпа шт 1 - 2
Машина для резки льда шт 1
Мотопилы шт 2 - 4
Генератор теплого воздуха шт 1
Утепленная палатка шт 1 - 2
Катер - нефтесборщик шт 1
Лебедка ручная шт 2 - 4
Сорбенты кг до 7370
Установка для сжигания отходов шт 1 - 2
Средства противопожарной и технической безопасности
компл. 1
Средства индивидуальной защиты компл. 10
Таблица 23 – Требуемое количество человек
Наименование средств локализации и ликвидации
аварии
Единица измерения
Количество средств
Обслуживающий персонал, чел
Итого, чел Боновые заграждения м до 600 2 (до 500 м) - 4 (до
3000 м)
8 - 12 Нефтесборщики (сумм.
производительность) м3/час до 200 1 чел /шт (из числа устан БЗ) Емкости (сумм емкость) м3 до 2000 1 чел /шт (из
числа устан БЗ)
Катер шт 0 - 2 3
Лодка шт 2 - 1 2
Ручная лебедка шт 2 - 4 2 (из экипажа
лодки)
Ручной нефтесборщик шт 1 - 2 1 (из экипажа лодки)
62
Мотопомпа шт 1 - 2 1 (из экипажа
лодки)
5 - 8 Машина для резки льда
(зима) шт 1 1 (из экипажа
лодки, катера)
Мотопилы (зима) шт 2 1 (из экипажа
лодки, катера) Генератор теплого воздуха
(зима) шт 1 1 (из экипажа
лодки, катера) Утепленная палатка (зима) шт 1 - 2 1 (из экипажа
лодки, катера)
Сорбенты кг до 7370 3 - 4
Установка для сжигания
отходов шт 1 - 2 1 (из экипажа
лодки, катера) Средства противопожарной
и технической безопасности компл 1 1 (из экипажа лодки, катера)
Необходимое количество технических средств для проведения работ (экскаваторы, бульдозеры) и места их расположения определяются из условий их доставки и выполнения ими необходимых земляных работ в течение 3 часов по формулам [23]:
Tдоставки = L / Vтех.средств (44) Tдоставки = < 3
где Tдоставки – время доставки технических средств, ч.
Vтех.средств – скорость передвижения технических средств, км/ч, для расчетов принимать V технических средств = 30 км/ч;
L – расстояние от места дислокации технических средств до места разлива нефти, км;
Qтех.средств – производительность технических средств сбора нефти/нефтепродуктов, м 3;
3 – нормативный коэффициент времени сбора, учитывающий, что для начала работ по сбору нефти потребуется 3 часа с момента обнаружения аварийного истечения.
Проведение работ по ликвидации аварийного разлива нефти при низкой температуре атмосферного воздуха (-25 – -30°С) и толстом слое льда на поверхности воды в реке обусловливаются замедленным протеканием процессов миграции и трансформации нефти в водной среде.
63
Нефть, всплывавшая с глубины, задерживается за счет высокой вязкости между водной поверхностью и ледовым покровом, что не позволяет всей массе излившейся нефти быстро распространиться по реке.
Наличие ледяного покрова затрудняет использовать боновые заграждения и осуществлять сбор нефти, если нефть уходит под лед или в лед.
Проведение работ по ликвидации аварийного разлива нефти в зимних условиях, потребуется специальное оборудование для резки льда и судна (например, ледоколы).
Для локализации разлива нефтепродуктов из трубопровода на землю возводят дамбу обвалования, окружающую разлив с одной из сторон. Длина дамбы должна равняться полупериметру загрязненной территории, исходя из максимально возможной расчетной площади загрязнения, высота дамбы принимается равной 0,5 м, ширина по основанию - 0,5 м.
Количество землеройной техники (экскаваторов) (Nэ), необходимой для возведения дамбы для локализации ЧС, определяется по формуле [23]:
Nэ =
(45) где - нормативное время на возведение дамбы объемом 1000 м3, принимаемое равным для грунтов 2 группы 42,0 маш. часа;
- время, в течении которого проводится локализация, принимается равным 4 часам при условиях доставки техники к месту разлива за в течении 2 часов.
Объем дамбы вычисляется по формуле [22]:
= π·d·0,125, (46) где 0,125 — площадь сечения дамбы, м2;
d - диаметр разлива нефтепродукта, рассчитываемый по формуле (4).
d = √ (47) где F – площадь разлива, м2.
Получаем необходимое количество землеройной техники (экскаваторов):
Количество бульдозеров (Nб) для удаления загрязненного грунта определяется по формуле:
64
Nб =
, (48) где F - расчетная максимальная площадь загрязненной территории;
- нормативное время на срезание 1000 м2 грунта толщиной 20 см, принимаемое равным 1,4 маш. часа;
- нормативное время проведения работ по ликвидации ЧС принимаемое равным 24 часам.
Отсюда находим необходимое количество бульдозеров:
Количество экскаваторов для погрузки снятого нефтезагрязненного грунта определяется по формуле [25]:
Nэ =
, (49) где - объем снятого грунта;
— производительность экскаватора (принимается равным 20 м3/час);
— нормативное время проведения работ по ликвидации ЧС принимаемое равным 24 часам.
Необходимое количество самосвалов Nc для перевозки нефтезагрязненного грунта определяется по следующему алгоритму. Время движения автомобиля по маршруту «место ЧС - полигон - место ЧС)» Tц примем не более 4 часов. За один цикл автомобиль перевозит объем нефтезагрязненного грунта равный Vкузова.
За время операции по ликвидации АРН каждый автомобиль совершит Nпоездок [25]:
Nпоездок = ( ), (50) где - время ликвидации АРН.
Таким образом, необходимое количество самосвалов (объем кузова Vкузова принят равным 12 м3) определяется как отношение суммарного объема нефтезагрязненного грунта к объему грунта, которые способен перевезти один самосвал за время проведения локализационных работ:
Nс =
( ) (51)
65
где Vгрунта - объем собираемого грунта определяется исходя из площади пролива и толщины слоя снимаемого грунта, м3.
Пример 1. В результате прорыва магистрального нефтепровода в реку попало большое количество нефти. Ширина реки равна 50 м, скорость течения реки - 0,5 м/с, плотность нефти составляет 730 кг/м3. Максимальный объем прокачки нефти составляет 1140 т/ч. Наружный диаметр трубопровода 0,610 м, толщина стенки трубы 0,0071 м. Расстояние между задвижками 9000 м.
Рассчитать необходимое количество средств для ликвидации нефтеразлива.
Решение.
1. Вначале определим объем V1 прокачки нефти в течение 6 часов по формуле 32:
V1 = 1,5 · 1140 = 1710 тонн
2. Объем нефти, содержащейся внутри аварийного участка трубопровода, ограниченного наиболее удаленными друг от друга соседними задвижками рассчитаем по формуле 33:
V2 = 0,785·9000·(0,610 - 2·0,0071)2= 2508 тонн
3. По формуле 31 определим объем нефти в трубопроводе между задвижками, который может вытечь в реку:
Vmax= 1710+2508 =4218·0,730=3079 м3
4. Площадь загрязненной водной поверхности рассчитаем по формуле 30 Sраст = 3079 · 0,5 · 0,8 =1231м2
5. Необходимая суммарная производительность нефтесборных определяется по формуле 376
QΣ = 3079 / 10 = 307,9 м3/ч
6. Прогнозируемое количество жидких нефтяных отходов при аварии на нефтепроводе рассчитывается по формуле 38:
66
VОЖ = 3079 · 2,2 = 6773,8 м3
7. Количество необходимого сорбента рассчитывается по формуле 39:
Mсорб = 3079 / 10 = 307,9 тонн
8. Необходимое количество боновых заграждений и места их расположения определим по таблице 20 и формуле 40
Lбз = 0,5 · 100 / cos 0,9 = 50,5 · 2 = 101 м.
9. Необходимый объем емкостей для хранения собранной нефти рассчитаем по формуле 41:
Vсб = 3079 / (0,2·0,8) = 19244 м3
10. Необходимое количество нефтесборщиков и нефтесборных устройств определим по формуле 42:
Qсбора = 3079 / (0,2·3) = 5131,7 м3/с
11. Необходимый объем сорбентов для разового применения определим по формуле 43:
Vсорбента = 0,2× 3079 / 5 = 123,2 м3
Вывод: для ликвидации аварийного нефтеразлива потребуется 123,2 м3 сорбентов и 101 м боновых заграждений.
Пример 2. В результате разгерметизации магистрального нефтепровода, произошел разлив нефти объемом 60 м3 на поверхности грунта. Расстояние до ближайшего аварийно-спасательного подразделения 60 км. Определите необходимое количество инженерной техники для ликвидации разлива нефти.
Решение.
1. Определим площадь пятна разлива нефти по формуле 29.
F = / = 1200 м2
67
2. Рассчитаем диаметр разлива нефтепродукта по формуле 47.
d = √ = 40 м
3. Рассчитаем объем дамбы по формуле 46.
= 3,14·40·0,125 = 15,7 м3
4. Количество землеройной техники (экскаваторов), необходимой для возведения дамбы для локализации ЧС, определим по формуле 45.
Nэ =
= 1 экскаватор
5. Количество бульдозеров для удаления загрязненного грунта определим по формуле 48.
Nб =
= 1 бульдозер
6. Количество экскаваторов для погрузки снятого нефтезагрязненного грунта определим по формуле 6.
Nэ = = 1 экскаватор
7. Необходимое количество самосвалов для вывоза загрязненного грунта определим по формуле 49.
Nс =
( ) = 1 самосвал
8. Определим достаточность технических средств для проведения работ из условий их доставки с учетом мест расположения определим по формуле 44.
Необходимое количество (экскаваторы, бульдозеры) и места их расположения определяются и выполнения ими необходимых земляных работ в течение 3 часов по формулам:
Tдоставки = 60 / 30 = 2
68
Tдоставки = 2 < 3
Вывод: для локализации нефтяного разлива объемом 60 м3 при аварии на ж/д транспорте потребуется: 1 экскаватор для возведения дамбы; 1 бульдозер для удаления загрязненного грунта; 1 экскаватор для погрузки снятого нефтезагрязненного грунта; 1 самосвал для вывоза загрязненного грунта.
Задание для самостоятельной подготовки
Задание 1. В результате прорыва магистрального нефтепровода в реку попало большое количество нефти. Ширина реки равна 80 м, скорость течения реки - 1,5 м/с, плотность нефти составляет 810 кг/м3. Максимальный объем прокачки нефти составляет 1500 т/ч. Наружный диаметр трубопровода 0,700 м, толщина стенки трубы 0,0085 м. Расстояние между задвижками 8500 м.
Рассчитать необходимое количество средств для ликвидации нефтеразлива.
Задание 2. В результате прорыва магистрального нефтепровода в реку попало большое количество нефти. Ширина реки равна 110 м, скорость течения реки - 0,9 м/с, плотность нефти составляет 780 кг/м3. Максимальный объем прокачки нефти составляет 1250 т/ч. Наружный диаметр трубопровода 0,680 м, толщина стенки трубы 0,0080 м. Расстояние между задвижками 10000 м.
Рассчитать необходимое количество средств для ликвидации нефтеразлива.
Задание 3. В результате прорыва магистрального нефтепровода в реку попало большое количество нефти. Ширина реки равна 90 м, скорость течения реки - 1,1 м/с, плотность нефти составляет 740 кг/м3. Максимальный объем прокачки нефти составляет 1450 т/ч. Наружный диаметр трубопровода 0,740 м, толщина стенки трубы 0,0095 м. Расстояние между задвижками 9500 м.
Рассчитать необходимое количество средств для ликвидации нефтеразлива.
Задание 4. В результате разгерметизации магистрального нефтепровода, произошел разлив нефти объемом 1200 м3 на поверхности грунта. Расстояние до ближайшего аварийно-спасательного подразделения 100 км. Определите необходимое количество инженерной техники для ликвидации разлива нефти.
Задание 5. В результате разгерметизации магистрального нефтепровода, произошел разлив нефти объемом 1450 м3 на поверхности грунта. Расстояние до ближайшего аварийно-спасательного подразделения 80 км. Определите необходимое количество инженерной техники для ликвидации разлива нефти.
69
Заключение
Современный мир характеризуются прогрессирующим увеличением социальных и экономических потерь от опасных природных, техногенных и антропогенных процессов, поэтому одной из важнейших проблем в настоящее время является обеспечение комплексной безопасности населения и объектов экономики.
При этом все более актуальными являются вопросы, связанные с опасностями инженерно-технического и социально-экономического характера, исходящими от магистральных нефтепроводов. К таким опасностям относятся, пожары, взрывы, аварии, загрязнение окружающей среды и т.д.
Задачи обеспечения комплексной безопасности магистральных нефтепроводов, принадлежат к разряду задач стратегического характера. Для их успешного разрешения необходимо совершенствовать существующие подходы обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов путем внедрения риск - ориентированного подхода.
В настоящее время в Республике Казахстан не выработано единой научно-обоснованного методологического подхода, позволяющего комплексно оценивать риск чрезвычайных ситуаций сложных технических систем, в том числе магистральных нефтепроводов.
Решение обозначенных задач необходимо вывести за рамки традиционного качественного описания, либо проведения исключительно приборных исследований, которые позволяют отслеживать реализацию аварийных событий в режиме реального времени, но затрудняют возможность осуществления превентивных мероприятий.
Таким образом, решение данных задач должно быть построено на основе математического моделирования, эффективных численных методах и их алгоритмах.
70
Список литературы
1. Надиров Н.К. Нефть и газ Казахстана. Алматы. Ғылым. – 1995. – С.
163-164.
2. Чердабаев Р. Нефть Казахстана. – Астана, 2012. – С. 140-141
3. Карымсакова Э.С. Исторические аспекты транспортировки высокозастывающей нефти в западном Казахстане. автореф. дисс на соискание ученой степени. Уфа, 2003. – 10 с. 8 Обзор нефтегазовых трубопроводов Казахстана. [Электронный ресурс]. / KAZAKHSTAN №3/4, 2001.http://www.investkz.com/journals/28/387.html
4. Надиров Н.К., Каширский А.И., Хуторной В.В, Уразгалиев Б.У.
Техника и технология трубопроводного транспорта высоковязких нефтей. – Алма-Ата: Наука, 1983. – 108 с.
5. Надиров Н.К., Тургунов П.И., Брот Р.Р., Уразгалиев Б.У.
Трубопроводный транспорт вязких нефтей. – Алма-Ата: Наука, 1985. – 58 с.
6. Нефтяная история страны. [Электронный ресурс] / http://www.
kazenergy.com/ru/3-39-40-2010/2606-2011-10-24-11-46-52.pdf
7. Геополитические интересы требуют диверсификации экспортных маршрутов транспортировки нефти и газа. [Электронный ресурс] / http://bnews.kz/ru/ news/post/3437/
8. Правила обеспечения промышленной безопасности при эксплуатации магистральных трубопроводов (Утв. Приказом Министра по инвестициям и развитию Республики Казахстан от 30 декабря 2014 года № 354).
9. Строительные нормы Республики Казахстан (СН РК) 3.05-01-2013*
«Магистральные трубопроводы».
10. Козлитин А. М., Яковлев Б.Н. Чрезвычайные ситуации техногенного характера. Прогнозирование и оценка. Детерминированные методы количественной оценки опасностей техносферы: Учеб. пособие. Саратов:
Сарат. гос. техн. ун-т, 2000. 124с.
11. Факторы обеспечения надежности и безопасности трубопроводов/
Л.И. Кугрышева, С.А. Стахов, //сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия
«Естественнонаучная», 2008., №4.
12. Руководство по безопасности «Методические основы по проведению анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объектах» (Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11.04.2016 г. N 144).
13. Руководство по безопасности «Методические рекомендации по проведению количественного анализа риска аварий на опасных производственных объектах магистральных нефтепроводов и магистральных
71
нефтепродуктопроводов» (Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 17 июня 2016 г. № 228).
14. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах: серия 27. Выпуск 1/ Колл. авт. – 2-е изд., испр.
– М.: Государственное унитарное предприятие «научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002.
15. Закон Республики Казахстан от 11 апреля 2014 года № 188-V «О гражданской защите».
16. СТ РК 3019-2017 «Безопасность пожарная. Оценка пожарного риска.
Метод определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах» [Электронный ресурс] // Информационный портал ПАРАГРАФ [сайт]. Режим доступа: https://online.zakon.kz/Document/?doc_id=36410482 (дата обращения 24.10.2020).
17. Оценка сейсмостойкости магистральных нефтепроводов / А. А.
Александров, В. А. Котляревский, В. Ч. Кушнарев [и др.] // Энциклопедия безопасности. Строительство, промышленность, экология : в 3-х т.
Сейсмостойкость и теплозащита сооружений / В.А. Котляревский, В.И.
Ларионов, С. П. Сущев; под ред. В. А. Котляревского. М.: АСВ, 2010. Т. 3. С.
132–164.
18. American Lifelines Alliance: Guidelines for Assessing the Performance of Oil and Natural Gas Pipeline Systems in Natural Hazard and Human Threat Events.
2005. 55 p. Режим доступа: http://www. a m e r i c a n l i f e l i n e s a l l i a n c e . c o m / p d f / PipeguideFinalPosted061705.pdf; дата обр. 12.07.2016.
19. Оценка риска аварий на линейной части магистральных нефтепроводов / М.В. Лисанов, А.С. Печеркин, В.И. Сидоров [и др.] //
Безопасность труда в промышленности. 1998. № 9. С. 50–56.
20. European downstream oil industry safety performance. Statistical summary of reported incidents 2006 – CONCAWE, Brussels, March 2008 (Реализация безопасности в промышленности транспортировки нефти в Европе.
Статистическая сводка зарегистрированных происшествий за 2006 год - Брюссель, март 2008 год).
21. Черняев Д., Забела А.// Трубопроводная транспортировка нефти . 1995. № 3. С. 15 – 18.
22. Гвоздиков В.К., Захаров В.М. Технические средства ликвидации разливов нефтепродуктов на морях, реках и водоемах: Справочное пособие. - Ростов-на-Дону, 1996.