Линейная часть трубопровода

Анализ последствий аварийного выброса ШФЛУ и иных нестабильных жидких углеводородов рекомендуется проводить с учетом нижеприведенных сценариев, физико-химических процессов и допущений.

При расчете последствий выброса рекомендуется учитывать два типа истечений:

через коррозионные свищи (характеризуются невысокой интенсивностью утечки до кг/с);

через трещины в трубопроводе, образовавшиеся в результате заводских дефектов труб, брака СМР, механических повреждений, ошибок эксплуатации или отказа оборудования.

Доля утечек первого типа составляет 70% от общего количества выбросов.

Размеры коррозионного свища и трех характерных трещин ("малая", "средняя", "гильотинный разрыв"), а также вероятности их образования определяются в соответствии с Руководством по безопасности "Методические рекомендации по проведению количественного анализа риска аварий на опасных производственных объектах магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов", утвержденным приказом Ростехнадзора от 29 декабря 2022 г. N 478.

Образование дефектного отверстия (трещин) является событием, инициирующим развитие аварийной ситуации в окружающей среде. После разгерметизации начинается выброс ШФЛУ из трубопровода. Если трубопровод сухопутный, то вещество через трещину поступает во внешнюю среду с давлением в 1 атм, если же трубопровод проложен через водный объект, то помимо атмосферного давления в 1 атм следует учитывать давление водяного столба.

Вследствие истечения ШФЛУ в трубопроводе и падения давления от места разгерметизации по продуктопроводу начинают распространяться волны разрежения. Одна волна распространяется против потока (к началу участка трубопровода), ШФЛУ в этой волне ускоряется, и расход потока возрастает; вторая волна распространяется по потоку (к концу трубопровода), ШФЛУ в этой волне тормозится, и расход потока вещества уменьшается.

Если давление в трубопроводе в распространяющихся волнах разрежения упадет ниже давления насыщенных паров ШФЛУ для данной температуры, то в трубопроводе произойдет вскипание ШФЛУ, и тогда в трубопроводе будет двигаться двухфазный поток. От места, где началось вскипание, по трубопроводу начинает двигаться волна вскипания, в которой и происходит фазовый переход. В результате в трубопроводе с ШФЛУ распространяется двухфронтовая структура из волны разрежения и волны вскипания. Вскипание потока в трубопроводе приведет к тому, что двухфазная среда будет ускоряться значительно меньше, чем, если бы это была стабильная жидкость (если сравнивать суммарные расходы), происходит т.н. "запирание" потока. Кроме того, в двухфазном потоке в протяженных трубах существенную роль будет играть трение, поскольку появление газовой фазы приводит к росту скорости движения среды. Все это приводит к тому, что удельный расход на месте выброса в случае вскипания транспортируемой среды существенно меньше, чем в случае отсутствия вскипания.

Когда волны разрежения достигают границ участка трубопровода, они начинают взаимодействовать с оборудованием, установленным в начале и в конце рассматриваемого участка. В зависимости от типа и характеристик этого оборудования (емкость, насос), а также в зависимости от действий, предпринятых персоналом, возможны различные варианты реагирования системы на процесс распространения волн разрежения в трубопроводе.

При моделировании аварий рассматривались простейшие варианты реакции оборудования, установленного на границах трубопровода:

емкости, присоединенные к трубопроводу, демпфируют приход волн, обеспечивая на границе давление, соответствующее давлению в емкости;

насосы, принимающие или нагнетающие ШФЛУ в трубопровод, изменяют свой режим работы в соответствии с характеристикой "напор-расход".

Изменение условий на границе вызовет ответное, распространяющееся по трубопроводу, возмущение потока, которое приведет через некоторое время к изменениям давления в трубопроводе на месте выброса, а это, в свою очередь, повлечет за собой изменение скорости выброса и новые, но уже более слабые, волновые процессы и т.д.

Распространение волн разрежения от места разгерметизации, изменение давления и расхода в трубопроводе регистрируется системой обнаружения утечек за времена, зависящие от объема и расхода утечки.

В течение временного интервала от начала аварийного выброса до остановки насосов происходит истечение ШФЛУ из трубопровода в напорном режиме, т.е. в условиях, когда в трубопровод подается и из трубопровода отбирается ШФЛУ. Давление на месте разгерметизации, а, следовательно, и масса ШФЛУ, выброшенная из трубопровода на этой стадии, определяется размером дефектного отверстия, величиной падения давления в трубопроводе, степенью вскипания ШФЛУ в трубопроводе и характеристиками насосов на трубопроводе. Если время от начала аварии (от момента возникновения дефектного отверстия) до остановки насосов достаточно велико (т.е. в несколько раз превышает время циркуляции волны по трубопроводу), то возможно установление стационарного выброса из трубопровода в напорном режиме. При этом в трубопроводе установится новый профиль давления, характеризующийся более резким градиентом от начала трубопровода до места разгерметизации и более плавным спадом давления от места разгерметизации до конца трубопровода. На месте выброса ШФЛУ в профиле давления наблюдается излом.

После полной остановки насосов и остановки движения ШФЛУ по трубопроводу в трубопроводе образуются участки, заполненные парами ШФЛУ при давлении насыщенных паров. Истечение ШФЛУ из дефектного отверстия на этом этапе будет полностью определяться лишь профилем трассы и температурой окружающей среды (она будет определять долю вскипания ШФЛУ в трубопроводе и, соответственно, давление насыщенных паров в трубопроводе). Скорость истечения будет зависеть от перепада высоты дефектного отверстия и высоты столба ШФЛУ в трубопроводе на участке до перевальных точек, а также от давления насыщенных паров ШФЛУ. Давление в трубопроводе на месте аварии будет обусловлено сначала разностью этих высот по всей трассе трубопровода (с учетом давление насыщенных паров), а после полного перекрытия кранового узла - разностью высот только на отсеченном участке трубопровода (с учетом давление насыщенных паров).

При самотечном режиме истечения (отсутствует нагнетание/отбор ШФЛУ в/из трубопровода) можно выделить две стадии поступления ШФЛУ в окружающую среду. На первой стадии, когда уровень отверстия разгерметизации расположен ниже уровня жидкой фазы ШФЛУ, происходит выброс жидкой фазы. На второй стадии, когда уровень жидкости достигает уровня отверстия разгерметизации, начинается выброс только газовой фазы, истекающей из трубопровода, находящейся при давлениях менее давления насыщенных паров. При этом если ШФЛУ находилась в перегретом состоянии на момент достижения уровня отверстия разгерметизации, то возможно его дальнейшее вскипание в трубопроводе, после чего в "карманах" трубопровода останется охлажденная ШФЛУ, которая будет испаряться из трубопровода (в т.ч. и за счет подвода тепла от грунта).

При этом следует отметить, что при истечении из трубопровода с ШФЛУ в локальных максимумах профиля трассы продуктопровода могут образовываться газовые "подушки" с избыточным давлением, поскольку при падении давления в этих точках ниже давления насыщенного пара транспортируемого продукта начинается переход жидкости в газовую фазу (кипение). За счет этого избыточного давления в локальных максимумах трубопровода возможно частичное передавливание жидкости из одного локального минимума (кармана) в другой, а при достижении в ходе расширения газовой "подушки" локального минимума открывается возможность перехода газа из одной газовой "подушки" в другую.

Одновременно с остановкой насосов и перекрытием запорной арматуры к месту аварии высылаются аварийные бригады.

ШФЛУ, вылившаяся из трубопровода непосредственно на месте аварии, разливается по территории (акватории), прилегающей к месту выброса, и интенсивно испаряется.

Площадь разлива существенным образом зависит от:

объема вылившейся ШФЛУ;

температуры воздуха окружающей среды;

рельефа местности, где произошел выброс;

свойств подстилающей поверхности на месте разлива.

Описанный выше сценарий охватывает только стадию поступления ШФЛУ в окружающую среду. Поскольку ШФЛУ и ее пары обладают способностью к воспламенению, существует вероятность возникновения пожара на месте аварии. Наиболее вероятным источником случайного воспламенения являются искры от двигателей транспортных средств. Другими источниками случайного зажигания являются разряды статического и атмосферного электричества, искры при соударении металлических частей, поверхности, нагретые до высокой температуры, неосторожные действия человека (курение, разведение костров) и т.д.

При появлении источника зажигания в области, загазованной парами ШФЛУ, происходит их воспламенение и проскок пламени по шлейфу облака к месту пролива с последующим возгоранием пролива (пожар пролива). При этом в окружающей среде возможно распространение ударных волн. Возможно также диффузионное догорание переообогащенных объемов смесей ШФЛУ с воздухом. При зажигании непосредственно пролива также возможен проскок пламени по шлейфу. Попадание человека в зону облака, где возможно горение, может привести к его поражению открытым пламенем. Кроме того, если воспламенение произошло в момент, когда еще продолжается выброс, то возможно образование горящего факела на месте разрушения трубопровода.

Таким образом, в общей схеме развития аварии и в типовых сценариях можно выделить следующие процессы и стадии:

мгновенная разгерметизация трубопровода при отверстии размером, соответствующим одной из четырех определенных выше величин;

начало истечения ШФЛУ из трубопровода в напорном режиме в окружающую среду, в т.ч. в воду при прохождении трубопровода по дну водоемов;

вскипание ШФЛУ в трубопроводе и образование двухфазного потока в трубопроводе;

образование на месте выброса ШФЛУ из трубопровода облака газа (и при определенных обстоятельствах капель), охлажденных до температуры кипения; интенсивное смешение ШФЛУ с воздухом;

образование на месте аварии пролива ШФЛУ, растекание ШФЛУ по прилегающей территории, кипение, испарение; загрязнение почвы; в случае попадания ШФЛУ в воду растекание ШФЛУ по поверхности и разнос пятен ШФЛУ течением и ветром по акватории;

рассеяние взрывопожароопасного облака ТВС в атмосфере;

распространение волн разрежения от места разгерметизации к границам трубопровода; длительность этой стадии равна приблизительно времени прихода звукового возмущения;

изменение режима работы насосов на входе/выходе трубопровода в ответ на распространение волн разрежения;

регистрация утечки системой обнаружения утечки и выдача сообщения на пульт оператору о возникновении утечки; длительность этой стадии составляет не более 5 мин с момента выхода продукта (при наличии современной системы обнаружения утечек свищи и малые трещины обнаруживаются за 5 мин., время обнаружения через средние и крупные трещины - от 3 до 5 мин);

принятие оператором решения об остановке насосов, перекрытии КУ и направлении к месту аварии аварийно-спасательной бригады;

полная остановка насосов;

окончание истечения ШФЛУ в напорном режиме и истечение ШФЛУ в самотечном режиме из всего трубопровода (длительность стадии - от остановки насосов до полного перекрытия задвижками аварийного участка трубопровода);

перекрытие КУ;

время прибытия аварийной бригады к аварийному участку;

истечение жидкого/двухфазного ШФЛУ в самотечном режиме из отсеченного участка трубопровода; в т.ч. истечение ШФЛУ из подводных участков трубопровода;

полный сток ШФЛУ из трубопровода, за исключением жидкости, оставшейся в "карманах".

При воспламенении паров или пролива ШФЛУ добавляются следующие стадии:

инициирование горения паров ШФЛУ или самого пролива;

сгорание (пожар-вспышка)/взрыв облака ТВС;

пожар пролива, поражение открытым пламенем, тепловым излучением близлежащих к месту пожара объектов;

факельное (струевое) горение;

образование токсичных продуктов в процессе пожара пролива, рассеяние их в атмосфере, поражение токсичными продуктами людей, загрязнение атмосферы.

С учетом изложенного рекомендуется использовать следующую группу сценариев при образовании трещины на линейной части трубопровода ШФЛУ:

разгерметизация трубопровода или кранового узла -> начало выброса ШФЛУ из трубопровода -> образование на месте разрушения пролива ШФЛУ (для подземного трубопровода - фильтрация ШФЛУ через грунт с возможностью размыва почвы) -> растекание, кипение и испарение ШФЛУ (в т.ч. при соприкосновении с почвой); интенсивное смешение с воздухом -> образование в атмосфере газокапельного облака охлажденного до температуры кипения ШФЛУ -> распространение по трубопроводу волн разгрузки -> вскипание ШФЛУ в трубопроводе (если ШФЛУ находилась в перегретом (относительно температуры кипения) состоянии) -> истечение ШФЛУ из трубопровода, в т.ч. в двухфазном режиме при вскипании ШФЛУ в трубопроводе -> отключение насосов и остановка перекачки ШФЛУ; образование участков в трубопроводе, заполненных газовой фазой ШФЛУ при давлении насыщенного пара -> перекрытие кранового узла -> распространение облака ШФЛУ в атмосфере -> воспламенение ШФЛУ -> сгорание облака ШФЛУ, возникновение на месте разрушения факела, пожар пролива -> воздействие на соседние объекты, окружающую среду, поражение людей; загрязнение ШФЛУ или продуктами горения компонентов окружающей среды -> локализация и ликвидация разлития (пожара).

На основе группы сценариев и имеющихся сведений о технологическом процессе, мерах защиты (барьеров безопасности), данных по аварийности и инцидентах рекомендуется приводить более детальные сценарии аварий. Для этой цели рекомендуется учитывать типовые сценарии, представленные в Руководствах по безопасности: "Методика оценки риска аварий на опасных производственных объектах нефтегазоперерабатывающей, нефте- и газохимической промышленности", "Методика оценки риска аварий на технологических трубопроводах, связанных с перемещением взрывопожароопасных жидкостей" и "Методические рекомендации по проведению количественного анализа риска аварий на опасных производственных объектах магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов".

Пример "дерева событий" представлен на рисунке 3 настоящего приложения.

Оценки негативных последствий выброса ОВ рекомендуется использовать для определения наиболее опасных участков КП/ПП, аварии на которых могут привести к повышенному социально-экономическому ущербу (гибели и травмированию людей), материальному ущербу и экологическому ущербу, а также участков линейной части с повышенной вероятностью возникновения аварий:

а) участки, вблизи которых на расстояниях действия поражающих факторов расположены населенные пункты, отдельные общественные здания и места массового скопления людей;

б) участки, вблизи которых на расстояниях действия поражающих факторов расположены комплексы зданий, сооружений, оборудования сторонних организаций;

в) подземные переходы через автомобильные и железные дороги и примыкающие к ним участки;

г) участки, проходящие по обрабатываемым сельскохозяйственным угодьям;

д) участки, вблизи которых на расстояниях действия поражающих факторов расположены лесные угодья;

е) подводные переходы с береговыми размываемыми участками;

ж) участки пересечений с различными трубопроводами;

з) участки, на которых когда-либо имели место разрывы и свищи или по результатам диагностирования обнаружены опасные дефекты в стенке трубы.

Рис. 3. "Дерево событий" развития аварии с образованием трещины на линейной части трубопровода ШФЛУ