Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных методов обеспечения безопасности систем трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов 13
1.1. Основные аспекты обеспечения безопасности систем трубопроводного транспорта
1.2. Классификация чрезвычайных ситуаций и их последствий в трубопроводном строительстве
1.3. Постановка задач исследования 21
Глава 2. Исследование методов оценки безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов
2.1. Методические подходы к оценке безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов
2.2. Методика оценки вероятности возникновения чрезвычайной ситуации
2.3. Моделирование параметров техногенных воздействий при возникновении чрезвычайной ситуации 44
Глава 3. Разработка методики оценки оптимальных затрат на поддержание безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов
3.1. Вероятностная оценка ожидаемого ущерба при возникновении чрезвычайных ситуаций
3.2. Оптимизация затрат на предотвращение чрезвычайных ситуаций 54
3.3. Формирование системы технического обслуживания трубопроводов по критерию минимизации вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций 59
Глава 4. Совершенствование системы по предупреждению и ликвидации разливов нефти
4.1. Принципы оценки масштабов аварийных разливов нефти 59
4.2. Выбор методов определения места разлива нефти 66
4.3 Методика определения параметров аварийного разлива нефти 71
4.4. Построение системы многоуровневого реагирования для принятия решений по ликвидации аварийных разливов нефти
4.5. Рекомендации по выбору метода ликвидации последствий разливов нефти
Общие выводы 97
Литература
- Основные аспекты обеспечения безопасности систем трубопроводного транспорта
- Методические подходы к оценке безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов
- Вероятностная оценка ожидаемого ущерба при возникновении чрезвычайных ситуаций
- Принципы оценки масштабов аварийных разливов нефти
Введение к работе
Трубопроводный транспорт по своей физической сущности и инженерным решениям наиболее безопасный способ доставки пожаровзрывоопасных жидких и газообразных углеводородов. Однако эта безопасность обеспечивается при выполнении целого ряда обязательных условий, в том числе:
соблюдении всех нормативных требований при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводных систем;
создании системных резервов, в виде многониточных газопроводов с перемычками, компрессорных и насосных станций с резервными агрегатами, подземных хранилищ газа и промежуточных резервуарных парков нефти и нефтепродуктов;
использовании при проектировании современных способов изысканий (аэрокосмических методов, ГИС технологий и др.), автоматизированных процессов проектирования;
обеспечении гарантированно высокого качества строительства;
высоком уровне автоматизации технологических процессов, обеспечении телекоммуникациями и современными средствами связи;
использовании современных средств диагностики и организации мониторинга трубопроводных систем, включая экологический, правильной организации ремонта и реконструкции;
обслуживании высококвалифицированными кадрами, организации аварийно-восстановительных служб, оснащении их современной техникой.
Опыт, однако, показывает [3-5, 63], что зачастую даже при реализации удачных проектных решений незначительные ошибки при монтаже, а также отклонения от расчетных режимов эксплуатации, воздействие экстремальных природных явлений и нарушение штатных регламентных работ по диагностике и обслуживанию сооружений трубопроводного транспорта приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями.
Аварии на объектах нефтегазового комплекса оказывают существенное воздействие на все компоненты природной среды на каждой стадии «жизненного цикла». Состав, возможная мощность и потенциальная вероятность поступления токсичных и взрывоопасных веществ в природную среду зависят от типа сооружений, сложности их конструктивных решений и технологических режимов.
Анализ нормативных документов, используемых в нефтегазовой отрасли, показывает, что процедуры обеспечения безопасности трубопроводных систем основаны на двух различных подходах. Первый из них состоит в том, что нормируются процедуры расчёта показателей безопасности, а мероприятия по повышению безопасности определяются в соответствии с вычисленными показателями.
Количественное определение ущербов от аварий в трубопроводном транспорте не имеет достаточно полной объективной базы и должно опираться на субъективные мнения и экспертные оценки. Чёткость и однозначность могут быть достигнуты лишь при нормировании процедуры расчёта. В отечественной практике этот подход пока не получил широкого распространения. В качестве одного из немногих примеров можно указать межотраслевой документ ГОСТ Р 27.310-93 "Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения" [29]. В качестве рабочего метода принят анализ видов и последствий отказов. Согласно ГОСТ Р 27.310-93 отказы ранжируются по уровню риска. Такая же процедура применяется к объекту в целом, как на стадии его проектирования, так и эксплуатации.
Значительно шире применяется второй подход, где нормируются условия, которым должны удовлетворять объекты трубопроводного транспорта при их проектировании и эксплуатации. Данный подход основан на том, что нормативным путём устанавливаются не расчётные процедуры, а требования и мероприятия по обеспечению безопасности. Весьма важное значение имеют нормативы, определяющие следующие показатели: 1. расстояния между нитками трубопроводных систем;
минимальное удаление жилых зданий и промышленных объектов от трубопроводов (в зависимости от диаметра трубы, давления и транспортируемого продукта);
категории участков при строительстве трубопроводов и соответствующие требования к трубам, порядок сооружения переходов через водные преграды, пересечения с энергетическими и транспортными коммуникациями;
предельно допустимые концентрации вредных веществ в промышленных выбросах и др.
Следует отметить, что нормативы время от времени пересматриваются, как правило, в сторону ужесточения. Предприятия, отвечающие за эксплуатацию трубопроводов, вынуждены проводить реконструкцию объектов, чтобы привести их в соответствие с новыми требованиями. Для эффективности действия принятых нормативов предусматриваются штрафы за их невыполнение.
В тоже время, соблюдение данных нормативов не гарантирует безопасной работы трубопроводных систем и требует разработки новых подходов для обеспечения безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов, особенно при возникновении чрезвычайных ситуаций.
Основные аспекты обеспечения безопасности систем трубопроводного транспорта
Под безопасностью трубопроводного транспорта естественно понимать безопасность технических систем, предназначенных для транспортировки и хранении жидкостей и газов [9].
Безопасность определяется, как свойство объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды [8]. Хотя безопасность является одним из свойств надёжности, его трактовка выходит за рамки последней. Объект может быть потенциально опасным при полностью работоспособном состоянии из-за технического несовершенства или недостаточного объёма работ по регенерации природной среды после окончания строительства.
Понятие безопасности не перекрывается такими свойствами, как ремонтопригодность, сохраняемость, режимная управляемость, устойчивоспособ-ность и живучесть, но коррелирует со свойством безотказности.
Безопасность систем трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов в первую очередь зависит от безопасности эксплуатации основных составляющих трубопроводного транспорта: линейной части магистральных трубопроводов; насосных станций и резервуарных парков (рис. 1.1).
Проблемы безопасности отраслей трубопроводного транспорта являются ключевыми в энергетической безопасности России. При их изучении наибольший интерес представляют следующие аспекты [9]:
экологическая безопасность, определяемая как защищённость от чрезмерного загрязнения среды обитания вредными веществами и излучениями, деградации почв, ландшафтов, ухудшения биосферы, негативных воздействий на верхние слои земной коры при добыче полезных ископаемых; производственная безопасность, характеризующая защищённость от нарушения технических систем - аварий, катастроф, - вызываемых или сопровождаемых пожарами, взрывами, выбросами вредных веществ и т.д., а также несоблюдением норм и правил техники безопасности;
технологическая безопасность, рассматриваемая как защита от следующих угроз: снижения технического уровня производства, массового сохранения устаревшей техники, невосприимчивости экономики к инновациям, чрезмерной зависимости от зарубежных технологий и оборудования, снижение уровня научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ;
основными угрозами противостихийной безопасности являются несоблюдение соответствующих требований при размещении, строительстве и эксплуатации производственных и жилых объектов, малая достоверность прогнозирования стихийных бедствий, неподготовленность населения и специализированных служб к природным катаклизмам и преодолению их последствий;
сырьевая безопасность характеризует защищённость от дефицита разных видов сырья и материалов, низкого уровня самообеспечения страны и/или регионов, от нарушений их внешних поставок, от низкой эффективности использования в народном хозяйстве.
Вопросы обеспечения безопасности магистральных трубопроводов рассматривались в работах отечественных и зарубежных ученых: Иванцова О.М. [44], Березина В.Л. [66, 88], Шутова В.Е., Сафаряна М.К., Прусенко Б.Е. [3], Сафонова B.C., Одишария Г.Э., Швыряева А.А. [81], Гумерова А.Г. [7, 34], Мартынюка В.Ф. [3-5, 55] и других, однако они относились к оценке прочностных характеристик элементов конструкций трубопровода, к вопросам промышленной безопасности эксплуатации трубопроводов и не рассматривали прогнозирование возможности возникновения и разработки стратегии ликвидации чрезвычайных ситуаций.
В процессе эксплуатации объект трубопроводного транспорта находится в одном из следующих технических состояний (рис. 1.2): работоспособное состояние - значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической документации; отказ - нарушение работоспособного состояния объекта; авария - событие, связанное с возникновением неконтролируемой утечки, воспламенения и взрыва нефтепродукта; чрезвычайная ситуация - обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления, катастрофы, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.
Методические подходы к оценке безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов
В соответствии с определением [8], безопасность - отсутствие недопустимого риска, связанного с возможностью нанесения ущерба.
Безопасность эксплуатации объектов трубопроводного транспорта зависит от ряда факторов и для ее обеспечения должен быть предпринят комплекс мер, включающий сбор возможно более полной информации о ЧС, вызвавших аварии, катастрофы и другие нештатные ситуации; создание и ведение соответствующей базы данных; превентивные меры, предусматривающие возможные критические воздействия или их последствия на стадии проектирования, с учетом возможных сценариев развития событий; предупреждение и обучение персонала и населения; планирование и осуществление спасательных, аварийно-восстановительных и рекультивационных работ.
Из вышесказанного следует, что обеспечение безопасности эксплуатации объектов трубопроводного транспорта - задача комплексная и ее решение не ограничивается только строительными мерами,
Выполненный анализ нормативно-технической документации и печатных изданий по проблемам промышленной безопасности показал, что деление на промышленную и экологическую безопасность во многом является условным, и что существующие методы анализа и оценок разработаны применительно к рискам в области промышленной безопасности. Риск, как ожидаемая величина потерь, является количественной мерой, наиболее адекватным образом отражающей природу безопасности производств.
Под риском понимается вероятностная мера опасности, установленная для данного объекта в виде возможных потерь за определенный период времени. Риск является функцией вероятности возникновения возможного воздействия (в общем случае не зависящей от объекта) и реакции объекта на это воздействие (уязвимости). Таким образом, в простейшем варианте риск негативного события (отказа), обусловленного опасностью D определенной интенсивности, может быть определен по следующей формуле [1]: P(F)=P(D)P(F/D), (2.1) где P(D) - вероятность опасности; P(F/D) - вероятность отказа, т.е. выхода из строя объекта при воздействии этой опасности. Иллюстрация приведенной формулы дана на рис. 2.1. Опасность Уязвимость ( P D) Ш P(F/D) I Риск —- Рис. 2.1. Геометрическая интерпретация понятия риска Таким образом, уровень безопасности P(S) в вероятностных терминах может быть определен по формуле [1]: P(S)=1-P(F) (2.2)
Анализ риска позволяет обеспечить интегральную оценку безопасности строительных систем с учетом вероятности поражения объекта во времени и пространстве при возникновении ЧС, а также возможных последствий. Например, для оценки риска потерь при действии природных аварий и катастроф воспользуемся следующей формулой: R =p(F) =p(D)P(F/D) = P(D)P(S/D)P(T/D)P(OZD)Z, (2 3) где: R - интегральный риск от опасности D в любой сфере фиксации потерь; P(D) - повторяемость опасности D определенной интенсивности, численно равная ее статистической вероятности; P(S/D), P(T/D) - вероятность поражения объекта опасностью D в пространстве и во времени; P(0/D) - степень уязвимости (вероятность поражения, разрушения, гибели и т.п.) объекта при событии D; Z - площадь, стоимость объекта, численность населения и другие подобные общие показатели.
Очевидно, граница безопасного состояния и само безопасное состояние в терминах анализа риска оценивается выражением [31]: P(F) Rdon (2.4) где Кдоп - допустимый риск. Величина допустимого риска зависит от ряда технических, экономических, этнопсихологических и других дикторов.
Для ее оценки существует ряд подходов. Для объектов трубопроводного транспорта используется следующая формула [31]: Rdon=Mr5&T/G, (2.5) где: s - коэффициент социальной значимости объекта (s = 0,5 - для объектов трубопроводного транспорта); Т - расчетный срок службы конструкции или сооружения (в годах); G - среднее число людей, находящееся внутри сооружения или в непосредственной близости от него в течение периода, за который оценивался риск.
Практика показывает, что полностью исключить техногенные чрезвычайные и не штатные ситуации теоретически невозможно из-за ненулевого риска, но практически - вероятно при условии выполнения соответствующих требований и мероприятий. Избежать же стихийных бедствий пока не представляется возможным, поскольку природные стихийные процессы неуправляемы. Поэтому чрезвычайные ситуации необходимо предупреждать или ослаблять их вредное воздействие, а если это не удалось, то быстро на них реагировать и эффективно ликвидировать последствия.
Анализируя причинно-следственную связь техногенных нештатных ситуаций с производственно-хозяйственной деятельностью человека, можно сделать вывод, что авария - это результат совпадения (произведения) двух и более неблагоприятных (нежелательных) событий, (например, нарушение герметичности трубопровода и отказ системы защиты).
Вероятностная оценка ожидаемого ущерба при возникновении чрезвычайных ситуаций
Последствия возникновения ЧС можно оценить через экономические параметры, характеризуемые совокупным ущербом и потерями, вызванными различными техногенными причинами и природными явлениями. В этом случае экономические характеристики рассматриваются в следующих основных вариантах [63]:
1 .Оперативная оценка ущерба в случае произошедшей аварии, отказа или стихийного бедствия.
2.Определение расчетного (ожидаемого) ущерба, т.е. прогнозируемого с учетом вероятности событий, принимаемого в зависимости от инженерного (проектного) решения, фактического исполнения при строительстве (исполнении) и уровня эксплуатационного обслуживания объекта или его элемента.
В основу оценки положено статистическое исследование аварийности трубопроводной системы. В качестве примера на рис. 3.1 представлены статистические данные по затратам на ликвидацию аварий на промысловых трубопроводах в России.
Ущерб последствий аварий рассматривается как в прямых потерях (повреждение конструкций, потеря транспортируемых продуктов, выплата страховок, экологическое загрязнение и др.), так и косвенных (остановка производства, представление дополнительных ссуд и кредитов, нарушение договорных поставок, снижение производительности труда и т.п.). Величина ожидаемого ущерба определяется с учетом вероятности возникновения аварийных ситуаций и их последствий.
В общем виде вероятностную стоимостную оценку ожидаемого ущерба при возникновении ЧС определим следующей зависимостью [9]: (3.1) где Pj - вероятность возникновения факторов, определяющих параметры ожидаемого ущерба при эксплуатации нефтепровода, с учетом районирования территории и классификации нефтепроводов по показателям риска; Y\ -ущерб от повреждения конструкций, технологического оборудования и коммуникаций и их восстановления, компенсаций пострадавшим во время аварий; Уг - ущерб от потерь транспортируемых продуктов; Уз - ущерб от перерыва в работе в соответствии с договорными отношениями с предприятиями, поставляющими и потребляющими нефть; Y4 - ущерб от техногенных воздействий на окружающую среду; Ys- ущерб, связанный с выплатой штрафных санкций в связи с нарушениями законодательных и нормативных требований; Sj-страховые компенсации, возмещения по договорам контракта. Затраты на ликвидацию аварий на промысловых трубопроводах
Тогда экономическая оценка ожидаемых техногенных воздействий на окружающую среду представляется следующим образом: где Fy, Vy, Gy, Ny - соответственно, площадь территории, объем воздушной среды, поверхность водной среды, число объектов флоры и фауны, за 46 грязненной или пострадавшей в результате техногенного воздействия; Cri -Су4 - стоимостная оценка (отнесенная к единице) реализации конкретного техногенного воздействия; Pri - РУ4 - вероятность реализации конкретного техногенного воздействия.
Однако при исследовании безопасности трубопроводных систем пользоваться понятием ущерба надо с большой осторожностью. Оценка вероятности угроз не может базироваться на статистическом материале из-за того, что наиболее существенные угрозы редко проявляются. Собственно ущербы при реализации каждой угрозы также не могут быть получены с приемлемой степенью достоверности по нескольким причинам:
1. масштабы разрушений, количество жертв и другие негативные проявления зависят от множества случайных факторов: места, времени, погодных условий и т.д.;
2. помимо прямого ущерба, как правило, возникают также косвенные ущербы не только в экономической, но также в социальной и экологической сфере;
3. социальные и экологические ущербы трудно свести к денежному эквиваленту.
Обоснование необходимости проведения мероприятий по обеспечению безопасности можно провести, основываясь на экономических критериях. Затраты S на реализацию мероприятий зависят от некоторого показателя х (например, объёмы реконструкции, направленной на повышение безопасности системы трубопроводов), возрастая вместе с этим показателем. С другой стороны, чем выше показатель х, тем меньше ожидаемый ущерб Y(x). Соразмеряя затраты и ущерб, целесообразно исходить из критерия наименьших суммарных потерь:
Принципы оценки масштабов аварийных разливов нефти
Основой для планирования мероприятий по ликвидации разливов нефти является анализ риска аварийных разливов нефти, которые предполагает определение параметров проектных аварий с разливом нефти для их использования в качестве исходных данных для моделирования аварийных разливов нефти. При расчете максимально возможного разлива необходимо исходить из требований Постановления 613 [74]: о порыв - 25% от максимального объема прокачки в течение 6 часов плюс объем стока на самой высокой точке на обеих сторонах; о прокол - 2% от максимального объема прокачки в течение 4 дней.
Существует принципиальное различие между разливами нефти на суше и на воде, которое непосредственно связано со скоростью движения или распространения нефти и, в итоге, - площадью пораженной территории. За редким исключением нефть, также как и вода, двигается вниз по склонам и скапливается в ручьях, реках, канавах и рвах. Скорость движения нефти зависит от ее вязкости, температуры воздуха/почвы, крутизны наклона, а также условий поверхности (неровности, тип растительности, тип почвы, ее проницаемость и т.д.). Поверхность земли редко бывает ровной, поэтому толщина слоев нефти существенно разнится и нефть часто собирается во впадинах.
Скорость трансформации нефти в большой степени зависит от площади ее распространения. Если сравнить скорость распространения нефти на суше и на воде, то во втором случае эта скорость будет выше, поскольку нефтяная пленка на воде обычно бывает довольно тонкой, в пределах нескольких миллиметров. Кроме того, через небольшой промежуток времени движение нефти на суше прекращается, и вероятность ее распространения и трансформации сводится к минимуму, что не всегда происходит в случае разлива нефти на воде.
Легкая сырая нефть или нефтепродукты могут проникнуть в почву, либо испариться, в то время как поведение других видов нефти зависит от пористости почвы, ее проницаемости.
Зимой время и площадь распространения нефти на снегу могут меняться в зависимости от компактности снега, характеристики поверхности (плоская или с наклоном) и температуры воздуха. Снег — это хороший натуральный сорбент. Тем не менее, содержание нефти может быть низким (1%) в случае легкой нефти, или, если нефть распространилась на большую площадь. Соотношение нефть-снег зависит от типа нефти и типа снега, но обычно она выше для средних и тяжелых типов нефти. Содержание нефти более низкое на твердых компактных снежных поверхностях при температурах ниже нуля и более высокое в условиях свежего снега.
Прекращение эксплуатации и перекрытие трубы зависят от времени, необходимого для закрытия клапана и останова дожимного насоса. Эти действия являются реакцией на подтвержденную утечку нефти, после которых центр управления трубопроводами может принять необходимые меры по изоляции сегмента. Время срабатывания систем обнаружения утечек зависит от масштаба утечки.
О типичных уровнях эксплуатационных характеристик для нефтепроводов в стационарном состоянии свидетельствуют следующие параметры: минимальное время срабатывания (МВС) при 50-процентной скорости истечения не превышает 3 минут; МВС при 20-процентной скорости истечения не превышает 15 минут; МВС при 10-процентной скорости истечения не превышает 40 минут; МВС при 5-процентной скорости истечения не превышает 50 минут. Эти сценарии разливов должны быть определены для каждого из участ ков линейной части трубопровода, перекрываемых отсекающими клапанами.
Используя эти параметры в качестве исходных, определяются параметры (Q j, q j), существенные для ликвидации разлива нефти в сценарии а.
Расчет исходных значений (Qa, qCT), существенных для ликвидации разлива нефти, проводится с учетом следующих требований:
Разливы 1 уровня реагирования характеризуются: наиболее вероятной скоростью истечения нефти среди всех реалистичных сценариев аварии на объекте планирования; максимально возможным объемом разлива нефти среди всех разливов, средняя скорость истечения в которых не превосходит наиболее вероятную.
Разливы 2 и 3 уровня реагирования характеризуются: наиболее вероятной скоростью истечения нефти среди всех сценариев аварии на объекте планирования, полный объем выброса нефти, в которых превышает объем выброса в проектной аварии, требующей первого уровня реагирования; максимально возможным объемом разлива нефти среди всех мыслимых (не противоречащих законам природы) сценариев аварии на объекте планирования, включая гипотетические аварии, соответствующие одновременно требованиям Постановления 613 [74].
В соответствии с вышеизложенными, производится расчет исходных значений (Qa, qa) определенного уровня реагирования на основе выбора сценариев развития аварий из определенных и рассчитанных (S, а, р0) в рамках процедуры количественной оценки риска. Расчет количества поступившей в окружающее пространство нефти для линейных объектов проводится с учетом следующих предпосылок о причинах возникновения возможных аварийных ситуаций: отказы технологического оборудования, в том числе из-за заводских дефектов труб и оборудования, коррозии оборудования, физического износа оборудования, механического повреждения; ошибки персонала, в том числе при проведении чистки, ремонта и демонтажа оборудования; воздействия природного и техногенного характера, в том числе механическое воздействие, смерчи, ураганы, попадание оборудования объекта в зону действия поражающих факторов аварий, происшедших на соседних установках и объектах, диверсии.
А также дополнительно учитывались следующие факторы, влияющие на возникновение аварии: качество строительно-монтажных работ и продолжительность эксплуатации; уровень антропогенной активности; конструктивно-технологические факторы; качество используемого оборудования, дефекты материала оборудования и сварных швов; степень природных воздействий, таких как землетрясения, оползневые и карстовые явления; эксплуатационные факторы; интенсивность коррозии; факторы, связанные с ошибочными действиями персонала, такие как нарушение регламента работ и техники безопасности.
