Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы анализа риска аварий на опасных производственных объектах нефтедобычи 12
1.1. Общие подходы к оценке безопасности и риска аварий на опасных производственных объектах 12
1.2. Методы моделирования аварийных процессов на опасных производственных объектах нефтедобычи и оценки риска аварий 16
1.3. Основные подходы к оценке эффективности мероприятий, направленных на снижение риска аварийных ситуаций на объектах нефтедобычи 30
1.4. Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2. Оценка риска аварий на промысловых трубопроводных сетях нефтяных месторождений 39
2.1. Анализ основных факторов аварийности и риска на промысловых трубопроводах 39
2.2. Анализ основных факторов аварийности и риска на промысловых трубопроводах
2.3. Разработка подходов к факторному анализу риска аварий и инцидентов на промысловых нефтепроводах 53
2.4. Оценка ущерба при авариях на промысловых трубопроводах 65
2.5. Методология численного эксперимента по оценке риска аварий на промысловых трубопроводах, результаты расчетов 70
2.6. Выводы к главе 2 76
ГЛАВА 3. Комплексный подход к анализу риска аварийных ситуаций на площадочных объектах нефтедобычи 77
3.1. Особенности моделирования взрывов топливно-воздушных смесей на площадочных объектах нефтедобычи 78
3.2. Методология расчета интенсивности теплового излучения при авариях на площадочных объектах нефтедобычи 80
3.3. Алгоритм и программный комплекс для оценки риска аварий на площадочных объектах нефтедобычи, обсуждение результатов расчетов 87
3.4. Выводы к главе 3 97
ГЛАВА 4. Оценка экономической эффективности вложения средств в превентивные мероприятия по снижению риска аварий на объектах нефтедобычи 99
4.1. Определение внеплановых финансовых потерь, вызванных авариями на объектах нефтедобычи 99
4.2. Разработка программ снижения внеплановых финансовых потерь, связанных с аварийностью на объектах нефтедобычи 101
4.3. Страхование рисков, связанных с авариями на объектах нефтедобычи 109
4.4. Выводы к главе 4 113
Заключение 115
Литература
- Общие подходы к оценке безопасности и риска аварий на опасных производственных объектах
- Анализ основных факторов аварийности и риска на промысловых трубопроводах
- Особенности моделирования взрывов топливно-воздушных смесей на площадочных объектах нефтедобычи
- Определение внеплановых финансовых потерь, вызванных авариями на объектах нефтедобычи
Введение к работе
В настоящее время выработка проектного ресурса основных фондов в России достигла 50-80%, а ряд важнейших объектов энергетики, нефтяной и химической промышленности, транспорта, строительного комплекса работает за пределами проектного ресурса. При этом риск аварий и катастроф при их дальнейшей эксплуатации резко возрастает. Именно поэтому проблема безопасности и живучести высокорисковых систем стала объектом пристального внимания специалистов практически всех областей науки и техники и требует создания научно обоснованной фундаментальной базы по анализу и обоснованию безопасности таких систем. Комплексность проблемы безопасности высокорисковых объектов предполагает привлечение подходов механики, физики и химии катастроф, как в детерминированной, так и в вероятностно-статистической постановке [1, 6, 76,106,115].
Анализ риска потенциальных аварий на высокорисковых объектах -одна из ключевых проблем, связанных с обеспечением промышленной безопасности. Применение методологии анализа риска, в том числе при декларировании промышленной безопасности, страховании ответственности и имущества предприятий требует создания подходов, учитывающих специфику производственных объектов.
Необходимо отметить значительный вклад в решение проблем анализа риска аварий на опасных производственных объектах отечественных и
зарубежных ученых, в числе которых: М.В. Бесчастнов, А.Н. Елохин, X. Кумамото, В.А. Легасов, М.В. Лисанов, В. Маршалл, Б.С. Мастрюков, Н.А. Махутов, Б.Е. Прусенко, B.C. Сафонов, В.И. Сидоров, А.Н. Черноплеков, А.А. Швыряев, другие ученые и специалисты.
Особенно актуальной указанная проблема становится при обеспечении промышленной безопасности на предприятиях нефтедобычи [90, 91]. Технологический процесс получения товарной продукции (стабильной нефти) складывается из трёх основных этапов: добычи на месторождениях, транспортировки газоводонефтяной эмульсии по системе промысловых и межпромысловых трубопроводов, подготовки нефти на площадочных объектах для дальнейшей транспортировки по системе магистральных нефтепроводов. Предварительный сброс пластовой воды проводится на установках предварительного сброса пластовой воды (УПСВ). Обезвоживание - процесс, при котором происходит отделение пластовой воды из нефтяной эмульсии. Там же, а также на дожимных насосных станциях (ДНС) осуществляется первичное отделение попутного газа. Окончательное отделение попутного газа и пластовой воды производится на установках подготовки нефти (УПН) и центральных пунктах сбора.
Таким образом, в состав предприятий нефтедобычи входят как площадочные опасные производственные объекты (дожимные насосные станции, установки предварительного сброса воды, установки подготовки нефти и др.), так и линейные (промысловые нефтепроводы, водоводы,
газопроводы). Именно в нефтедобыче проявляется тесное взаимовлияние техногенных и природных факторов аварийности. Закономерности их проявления в разных регионах и на различных предприятиях в значительной степени «возмущаются» так называемым человеческим фактором (ошибками оператора).
Вместе с тем, на сегодняшний день существует недостаточно методик, позволяющих определять величину риска и ожидаемого ущерба, выраженного в денежном эквиваленте, при авариях на опасных производственных объектах нефтедобычи. Кроме того, рекомендации по выбору и порядку проведения превентивных мероприятий по снижению риска аварий зачастую оказываются недостаточно эффективными потому, что не проведен анализ эффективности вложения финансовых средств в их реализацию. Поэтому в настоящее время особенно актуальной представляется разработка комплексных Программ снижения внеплановых финансовых потерь, связанных с аварийностью. Такие Программы должны включать определение частоты и ущерба от аварий на составляющих предприятия, а также оценку степени уменьшения внеплановых финансовых потерь в зависимости от внедрения тех или иных превентивных мероприятий, характеризующихся определенной ценой внедрения.
Цель диссертационной работы - научное обоснование подходов к обеспечению промышленной безопасности на производственных объектах нефтедобычи посредством развития и апробации методов количественного
анализа риска аварий и оценки эффективности мероприятий по его минимизации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
изучение специфики проведения анализа риска на опасных производственных объектах предприятий нефтедобычи;
оценка приемлемости существующих подходов к определению степени риска аварий на предприятиях нефтедобычи;
разработка наиболее адекватных методов анализа риска (в первую очередь, для сценариев аварий, характеризующихся наибольшими последствиями или имеющими наивысшую повторяемость);
апробация и адаптация предложенных методов анализа риска, учитывающих специфику их применения для объектов нефтедобычи;
совершенствование методологии разработки и реализации Программ снижения внеплановых потерь на объектах нефтедобычи с учетом экономических критериев эффективности превентивных мероприятий, направленных на минимизацию риска.
Научная новизна работы. Развита и научно обоснована методология анализа риска аварий на опасных производственных объектах нефтедобычи с целью обеспечения их безопасной эксплуатации, включая следующие подходы, учитывающие специфику опасных производственных объектов нефтедобычи:
методологический подход к оценке риска аварий на нефтепромысловых нефтепроводах на основе развития методов факторного анализа;
алгоритм комплексной оценки риска аварий на взрывопожароопасных объектах нефтедобычи и программный продукт на его основе;
адаптация подходов к определению внеплановых финансовых потерь, связанных с авариями на опасных производственных объектах нефтедобычи, и оценке эффективности мероприятий, направленных на снижение риска. Личный вклад автора заключается в:
выявлении и обобщении факторов аварийности и риска на промысловых нефтепроводах, оценке весовых коэффициентов факторов аварийности;
обосновании подходов к количественному анализу риска аварий со взрывами и пожарами на площадочных опасных производственных объектах;
разработке методических рекомендаций по выбору и анализу эффективности мероприятий, направленных на снижение риска аварий на объектах нефтедобычи.
Практическое значение результатов работы. Опыт применения разработанных методологических подходов и программных комплексов, написанных на их основе, в ряде прикладных работ показал, что они являются весьма удобными инструментами для оценки риска аварий на объектах нефтедобычи, в частности при разработке деклараций промышленной безопасности, при обосновании размещения оборудования в ходе предпроектной стадии инвестиционного процесса и т.д.
Реализация результатов работы. Результаты работы послужили основой для разработки программных комплексов, предназначенных для
количественной оценки риска аварий на объектах нефтедобычи, Программные комплексы внедрены и используются в ряде организаций. Реализация результатов работы подтверждена актом внедрения.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и симпозиумах:
9-й международной конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем", Москва, 2001 г.;
Second International Conference on Ecological Chemistry, 2002. Chisinau;
3rd International Conference on Future Groundwater Resources at Risk. Lisbon, 2001;
12-м Симпозиуме по горению и взрыву, Черноголовка, 2000 г.;
4-ой Всероссийской конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтяного комплекса России", Москва, 2001 г.;
3-й международной конференции "Теория и практика экологического страхования", Звенигород. 2002;
22nd SRA Annual Meeting, New Orleans, 2000;
10-й международной конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем", Москва, 2002 г.;
5-й Всероссийской конференции "Актуальные проблемы
состояния и развития нефтяного комплекса России", Москва,
2003 г.;
-6-й Всероссийской научно-практической конференции
"Управление рисками чрезвычайных ситуаций", с. 318-321. Москва, 20-21 марта 2001 г. Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 24 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 источников. Работа содержит 135 страниц, 11 таблиц, 9 рисунков.
Общие подходы к оценке безопасности и риска аварий на опасных производственных объектах
На сегодняшний день в России реализуются два основных подхода при оценке опасности производственных объектов - детерминированный и вероятностный.
При детерминированном подходе к оценке опасности производственных объектов вероятность образования горючей среды при аварийной ситуации и появления источника зажигания условно принимается равной единице. При этом в качестве расчетного выбирается наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы технологического оборудования (аппарата), при котором в пожаре (взрыве) участвует наибольшее количество веществ и материалов, наиболее опасных в отношении последствий пожара (взрыва), т.е. так называемый принцип «максимальной проектной аварии» [77].
К достоинствам детерминированного подхода можно отнести относительную простоту его использования, высокую степень завершенности и однозначность определения опасности производственных объектов. Недостатком этого подхода является жесткость в определении расчетного варианта аварии, даже если вероятность максимальной проектной аварии исчезающе мала. Результаты оценки, проведенной с применением этого подхода, дают определенный запас надежности, однако величина этого запаса может приводить к нерациональным материальным затратам на обеспечение безопасности объекта. Кроме того, в моделях, основанных на детерминированном подходе, нет анализа уязвимости реципиентов риска.
Вероятностный подход по своей сути более совершенен, так как основан на более рациональном сопоставлении величин опасных факторов аварии, уровня обеспечения безопасности людей, ожидаемого материального ущерба и затрат на обеспечение безопасности. Результаты оценки, проведенной с применением вероятностного подхода, характеризуются величинами риска.
В соответствии с [89] риск аварии - мера опасности, характеризующая возможность возникновения аварии на опасном производственном объекте и тяжесть ее последствий.
Основными количественными показателями риска аварии являются: технический риск - вероятность отказа технических устройств с последствиями определенного уровня (класса) за определенный период функционирования опасного производственного объекта; потенциальный территориальный риск (или потенциальный риск) -частота реализации поражающих факторов аварии в рассматриваемой точке территории; индивидуальный риск-частота поражения отдельного человека в результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий; коллективный - риск - ожидаемое количество пораженных в результате возможных аварий за определенное время; социальный риск, или F/N кривая -зависимость частоты возникновения событий F, в которых пострадало на определенном уровне не менее N человек, от этого числа N, характеризующая тяжесть последствий (катастрофичность) реализации опасностей; ожидаемый ущерб - математическое ожидание величины ущерба от возможной аварии, за определенное время.
Все известные методы, используемые для оценки риска аварийных ситуаций, могут быть сгруппированы в три группы.
Первая группа включает методы, основанные на индексации опасности возникновения аварии и ожидаемого ущерба от нее. В большинстве случаев эти методы базируются на обобщении опыта специалистов, занимающихся проблемами обеспечения промышленной безопасности, и поэтому относятся к эмпирическим методам [12].
Анализ основных факторов аварийности и риска на промысловых трубопроводах
Проведенный анализ аварийности на объектах нефтедобычи показывает, что наиболее частыми являются отказы промысловых трубопроводов [2, 3, 33, 34]. В настоящее время на территории Российской Федерации эксплуатируется более 350 тыс. км промысловых трубопроводов, на которых ежегодно отмечается около 50 тыс. случаев разгерметизации. На месторождениях Западной Сибири ежегодно происходит до 35 тыс. случаев разгерметизации промысловых нефтепроводов.
Нами проведен анализ производственных инцидентов, произошедших на месторождениях ряда нефтедобывающих предприятий России, расположенных в Поволжье и Западной Сибири [39]. Статистические данные по частоте отказов нефтепромысловых трубопроводов приведены в табл. 2.1.1. и на рис. 2.1.1.
Трубопроводный транспорт предприятий нефтедобычи представлен нефтепроводами, газопроводами, водоводами системы поддержания пластового давления. Основная аварийность связана с нефтепроводами и водоводами [4, 38].
Наиболее значимыми факторами, обусловливающими аварийность на промысловых трубопроводах, являются: тип трубопровода и состав перекачиваемого продукта; срок эксплуатации трубопровода; качество проектных и строительно-монтажных работ; эксплуатационные характеристики и ошибки эксплуатирующего персонала; природные условия и внешние воздействия. Ниже эти группы факторов рассмотрены подробнее. Коррозионный износ.
Скорость внешней коррозии существенно зависит от типа грунта, его влажности и температуры, глубины заложения трубы. При относительной влажности грунта 60% скорость коррозии достигает 0,16-0,22 мм/год (в условиях Западной Сибири) [45]. Заметим, что тип грунта определяет тип внешнего коррозионного повреждения и форму аварийного отверстия: в песчаном грунте наиболее часто отмечается язвенная коррозия, в торфе - в виде глубоких пятен.
Местами, где наиболее вероятно появление блуждающих токов, которые способствуют более быстрому разрушению трубопроводов в результате электрохимической коррозии, являются участки, расположенные рядом с линиями электропередач. Ускорение процесса коррозионного разрушения трубопроводов наблюдается также в местах сопряжения подземных и надземных участков (в частности, вблизи переходов через автомобильные дороги), где сильно влияние разности электрохимических потенциалов «труба-земля», «труба-воздух».
Скорость внутренней коррозии для промысловых нефтепроводов значительно превышает скорость внешней коррозии и может достигать значений 0,3-1,4, а иногда и до 10 мм/год. Основными факторами, влияющими на интенсивность внутренней коррозии, являются следующие [53]:
Газовый фактор, обводненность добываемой водонефтяной жидкости, содержание «кислых газов».
Данный фактор риска особое значение имеет при эксплуатации нефтесборных трубопроводов, которые осуществляют транспорт водонефтяной жидкости от кустовых площадок до установок предварительного сброса воды (где происходит сепарация воды от нефти). Обводненность добываемой нефти может составлять от 3-5% до 82%, в зависимости от выработанное месторождения. Газовый фактор, с одной стороны, влияет на частоту аварийности, ускоряя коррозию (в случае наличия сероводорода и других кислых газов), с другой - определяет тип аварийного выброса (двухфазное истечение, выброс «пробки» жидкости и т.п.). Наличие растворенного сероводорода, а также углекислого газа и кислорода вызывает резкое возрастание скорости внутренней коррозии [70].
Большое внимание на интенсификацию внутренней коррозии играет и присутствие коррозионно-активной микрофлоры. Ускорение коррозионных процессов в присутствии сульфатвосстанавливающих и углеводородокисляющих микроорганизмов происходит как вследствие непосредственного участия микроорганизмов в коррозионном процессе, так и за счет проявления значительного количества продуктов их метаболизма.
Особенности моделирования взрывов топливно-воздушных смесей на площадочных объектах нефтедобычи
При моделировании поражающих факторов взрывной волны принимается в расчет тип взрывного превращения (дефлаграция / детонация) в зависимости от физико-химических свойств взрывоопасного вещества и характеристик пространства, окружающего источник инициирования облака ТВ С. Расчет избыточного давления и импульса волны сжатия производится в соответствии с методикой оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей [87].
Необходимо отметить, что опасные производственные объекты нефтедобычи, расположенные на сухопутных месторождениях, характеризуются средней и слабой степенью загроможденное пространства. Горючие смеси, типичные для данного типа объектов, относятся к категории чувствительных и средне чувствительных. Таким образом, характер взрывного превращения, типичный для объектов нефтедобычи, можно определить как дефлаграционный.
Дефлаграционные взрывы, в отличие от детонационных взрывов, характеризуются дозвуковой скоростью распространения пламени. В связи с этим дефлаграционный взрыв на близких расстояниях создает взрывную волну, отличающуюся от типичных ударных волн детонационных взрывов.
В процессе дефлаграционного горения фронт взрывной волны, движущийся со скоростью звука, и фронт пламени, распространяющийся с дозвуковой скоростью, не совпадают и движутся последовательно друг за другом на определенном, все возрастающем расстоянии между ними. Между этими фронтами находится слой сжатого воздуха. Избыточное давление и другие параметры в слое сжатого воздуха возрастают от фронта взрывной волны к фронту пламени [72].
После окончания взрывного горения на расстоянии, равном радиусу огненного шара, фронт максимального давления отрывается от фронта пламени и начинает распространяться в сторону фронта взрывной волны со скоростью, равной сумме местных скоростей звука и потока газа и на некотором расстоянии от центра взрыва догоняет фронт взрывной волны.
Результаты расчета дрейфа облака газа в атмосфере характеризуются такими параметрами, как длина, полуширина, радиус облака. Поскольку газовое облако не имеет четко определенной границы, эти параметры зависят от выбора той или иной изолинии концентрации. В настоящей работе в качестве критерия использовались значения половины нижнего концентрационного предела воспламенения (с целью консервативного учета флуктуации концентрации в реальном облаке).
Кроме того, необходимо учесть, что фактически во взрывном превращении (дефлаграционном горении с формированием заметной ударной волны) принимает участие масса газа, находящегося в пределах загроможденного оборудованием и конструкциями пространства, а не вся масса газа, способного к горению.
В зоне дефлаграционного горения (в облаке ТВ С) предполагается смертельное поражение персонала вследствие прямого термического воздействия. Считается также, что при попадании человека в пределы пролива условная вероятность поражения равна единице (то есть 100 %-ное поражение). Для людей, находящихся в зданиях, пожар-вспышка значительной опасности не представляет.
Оценка взрывоустойчивости зданий и сооружений, разрушение которых приводит к косвенному поражению персонала, находящегося в них, выполняется согласно методике НТЦ «Взрывоустойчивость» [63].
Определение внеплановых финансовых потерь, вызванных авариями на объектах нефтедобычи
Определение ущерба при потенциальных авариях, выраженного в денежном исчислении, является важным этапом анализа риска на опасных производственных объектах нефтедобычи, а также дает возможность адекватно оценивать эффективность и сопоставлять различные мероприятия по его снижению.
В мировой практике существуют два основных подхода для оценки внеплановых финансовых потерь при авариях на опасных производственных объектах, которые также свести к вероятностным и детерминистским моделям [120, 124].
В соответствии с [88, 62, 24] при определении внеплановых финансовых потерь, связанных с авариями на линейных опасных производственных объектах нефтедобычи (промысловых трубопроводах) необходимо производить оценки следующих составляющих ущерба: затраты на капитальный ремонт поврежденных участков трубопровода; ущерб, связанный с перерывом в производстве (прокачке по данному участку нефтегазосборной сети с учетом возможности использования дублирующих трубопроводов), затраты, связанные с локализацией аварии и сбором нефти (осуществляемыми, как правило, специализированными подрядными сервисными организациями), экологического ущерба (включающего как штраф за аварийный сброс нефти, так и затраты на рекультивацию).
При определении внеплановых финансовых потерь, связанных с авариями на площадочных опасных производственных объектах нефтедобычи, представляется необходимым определять следующие виды ущерба [125, 18]: ущерб имуществу (здания, оборудование, товарные и сырьевые запасы), ущерб вследствие перерыва в производстве (или сокращения производства), ущерб третьим лицам и окружающей среде.
При полной степени разрушения ущерб имуществу, вызванный повреждением зданий и сооружений, составляет 100 % от стоимости здания, при сильной - более 50 %, при средней - более 30%, при слабой - более 10% [63]. Важно отметить, что при полном разрушении здания материальный ущерб может даже превысить восстановительную стоимость здания (до полутора раз) в связи с затратами на разборку и удаление разрушенных конструкций может превышать собственно восстановительную стоимость здания. Кроме того, даже под воздействием взрывных нагрузок, соответствующих средней степени разрушения, может произойти сдвиг основных несущих конструкций сооружения, что приведет к необходимости его демонтажа.
Потери дохода вследствие перерыва в производстве при потенциальной аварии в материальном выражении (недовыпущенная продукция) могут определяться следующим образом [36]: Г N ( \ "1 = "факт / . Ушмак i h(han I і . где BI - недовыпущенная продукция, t - продолжительность восстановления технологической установки, Рф - фактическая производительность технологической установки, на которой произошла авария, РіМакс - максимальная производительность установки і, работающая параллельно с рассматриваемой установкой, Ріфакт - фактическая производительность установки і, работающей параллельно с рассматриваемой, N - количество параллельно работающих установок.
Для того чтобы перейти от значения ВІ, выражающегося в количестве недовыпущенной продукции, к величине потери дохода, необходимо умножить его на разность между рыночной стоимостью продукта (или продуктов, с учетом их удельного соотношения) и стоимости сырья [36].
