автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему: Пожарная безопасность объектов добычи нефти и газа
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.
Специальность: 05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность. Отрасль — топливная промышленность.
На правах рукописи
Молчанов Виктор Павлович Пожарная безопасность объектов добычи нефти и газа
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.
Специальность: 05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность. Отрасль - топливная промышленность.
Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении «Всероссийский ордена «Знак почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России (ФГУ ВНИИПО МЧС России).
доктор технических наук, профессор Болодьян Иван Ардашевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук
Баратов Анатолий Николаевич Назаров Владимир Петрович Елохин Андрей Николаевич
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина
Защита состоится 17 ноября 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу:143903, Московская обл., г. Балашиха, микрорайон ВНИИПО, д.12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России.
Ученый секретарь совета,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Общая характеристика работы
В настоящее время нефтегазовая отрасль играет весьма существенную роль в экономике нашей страны, давая значительную долю во внутреннем валовом продукте и заметную часть налоговых поступлений. Из этого вытекает необходимость её поступательного развития и совершенствования, без которого вряд ли возможно улучшения социально-экономического положения страны и решение стоящих перед ней задач. В то же время основной спецификой нефтегазовой отрасли является добыча, хранение и подготовка огромных количеств нефти и газа, являющихся чрезвычайно пожароопасными веществами. Высокая пожароопасность нефти и газа обуславливает высокие вероятности возникновения пожаров при реализации тех или иных аварийных ситуаций, а также значительные скорости распространения пожара по территории нефтегазодобывающего предприятия. Концентрация на относительно небольшой площади огромных количеств пожаровзрывоопасных веществ обуславливает возможность реализации крупных пожаров и взрывов с катастрофическими последствиями, приводящими к значительным экономическим потерям, загрязнению окружающей среды и, что наиболее существенно, к многочисленным человеческим жертвам.
Потенциально высокая пожарная опасность предприятий по добыче нефти и газа усугубляется в нашей стране тремя обстоятельствами. Во-первых, происходит ускоренное внедрение новых, более интенсивных технологий добычи, хранения и подготовки нефти и газа (морские нефтегазодобывающие платформы, крупномасштабные хранилища сжиженного природного газа и нефти, высокоинтенсивные установки комплексной подготовки нефти и газа нового поколения и др.). Во-вторых, добыча нефти и газа реализуется в районах с суровым климатом и на континентальном шельфе северных морей. Указанные два обстоятельства требуют новых прогрессивных подходов к обеспечению пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли. Однако ситуация ' усугубляется наличием третьего обстоятельства — устаревшей нормативной базой обеспечения пожарной безопасности. Большинство нормативных документов в этой области утверждены в 80-х годах 20-го века различными министерствами и ведомствами и не учитывают как научные достижения, полученные в последние годы, так и специфику новых технологий добычи, хранения и подготовки нефти и газа. Кроме того, вызывает сомнение юридическая сторона применения указанных документов. В связи с вышесказанным проблема обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса представляется весьма актуальной.
Нельзя сказать, что в области обеспечения пожарной безопасности нефтегазового комплекса не проводились научные исследования. Здесь следует отметить в первую очередь работы И.М. Абдурагимова, В.Ч. Реутга, А.Ф.
Шароварникова, И.И. Петрова, В.И. Блинова, А.Н. Баратова, И.А. Болодьяна, В.П. Сучкова, Ю.Н. Шебеко, В.П. Назарова, А.Н. Елохина, А.Н. Черноплекова, Р.М. Тагиева, Н.М. Бурдакова и других исследователей. Несмотря на крупные достижения упомянутых выше ученых ряд, крупных задач остался нерешенным, как и вся комплексная проблема обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса.
Целью работы является создание научных основ обеспечения пожарной безопасности объектов добычи нефти и газа.
Для достижения поставленной цели ставятся и решаются следующие задачи:
• разработка критериев пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса и установление предельно допустимых значений этих критериев;
• критическая оценка и выбор наиболее надежных методов оценки значений поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами;
• разработка методов оценки пожарного риска для промышленных объектов;
• оценка пожарного риска для морских нефтегазодобывающих платформ и разработка мероприятий по его снижению;
• определение характеристик и параметров пожарной опасности крупномасштабных хранилищ сжиженного природного газа и разработка мер пожарной безопасности для указанных объектов;
• исследование специфики пожарной опасности установок комплексной подготовки нефти и разработка предложений по её снижению;
• изучение особенностей тушения пожаров резервуаров хранения нефти и нефтепродуктов с подслойной подачей пены и определение оптимальных параметров функционирования установок подслойного пожаротушения.
Научная новизна диссертации
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
• впервые проведены комплексные исследования по определению уровня и параметров пожарной опасности объектов добычи нефти и газа и разработке мероприятий по её снижению до приемлемого уровня;
• предложены научно обоснованные критерии оценки пожарной безопасности промышленных объектов и предельно допустимые значения этих критериев;
• разработаны новые и систематизированы имеющиеся методы оценки параметров пожарной опасности промышленных объектов;
• предложен новый принцип определения безопасных с точки зрения пожара расстояний между зданиями и сооружениями промышленных объектов;
• разработан новый метод оценки требуемой надежности трубопроводов для транспортировки нефти и нефтепродуктов;
• выявлены на основе оценки пожарного риска наиболее критические с точки зрения пожарной безопасности части морских нефтегазодобывающих платформ, функционирующих в тяжелых климатических условиях северных морей;
• впервые проведена комплексная оценка параметров пожарной опасности крупномасштабных хранилищ сжиженного природного газа;
• дана комплексная оценка пожарной опасности установок комплексной подготовки нефти нового поколения;
• обнаружен, исследован и объяснен физический эффект образования «буруна» при тушении резервуаров нефти и нефтепродуктов подслойным способом;
• разработана новая математическая модель для расчета параметров подслойного тушения нефти и нефтепродуктов, принимаемая во внимание образование «буруна».
Практическая ценность работы
Результаты диссертационной работы использованы при:
• разработке проектов технических регламент регламентов «Об общих требованиях пожарной безопасности» и «Пожарная безопасность объектов нефтегазового комплекса»;
• разработке стандарта ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы испытаний»;
• разработке норм пожарной безопасности НПБ 105-03 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности», НПБ 110-03 «Перечень зданий, сооружений помещений и оборудования, подлежащих защите автоматическими
. установками пожаротушения и автоматической пожарной сигнализацией», НПБ 23-2001 «Пожарная опасность технологических сред. Номенклатура показателей»;
• обеспечении пожарной безопасности объектов добычи нефти и газа на континентальном шельфе вблизи о. Сахалин в рамках реализации проекта . «Сахалин-2» (нефтегазодобывающие платформы, завод сжижения природного газа, терминал отгрузки нефти, объединенный береговой технологический комплекс, трубопроводная система);
• обустройстве газовых месторождений ОАО «Газпром»;
• разработке специальных технических условий по пожарной безопасности и проектной документации морской нефтегазодобывающей платформы на месторождении «Приразломное» (ОАО «Севморнефтегаз»);
• разработке стандарта ОАО «СГ-транс» по пожарной безопасности объектов предприятия, связанных с хранением и транспортировкой сжиженных углеводородных газов.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
• концепция и основные положения проекта технического регламента «Пожарная безопасность объектов нефтегазового комплекса»;
• критерии оценки уровня пожарной безопасности объектов и предельно допустимые значения этих критериев;
• методы оценки критериев пожарной безопасности объектов;
• принцип определения безопасных расстояний между зданиями и сооружениями промышленных объектов;
• метод оценки требуемой надежности трубопроводов для транспортировки нефти и нефтепродуктов;
• результаты' оценки уровня пожарной опасности и мероприятия по обеспечению пожарной безопасности для ряда новых объектов нефтегазового комплекса (морские нефтегазодобывающие платформы, крупномасштабные хранилища сжиженного природного газа и нефти, установки комплексной подготовки нефти);
• математическая модель, описывающая особенности процесса подслойного тушения резервуаров нефти и нефтепродуктов в случае возможности образования «буруна»;
• предложения по оптимизации параметров систем подслойного пожаротушения резервуаров нефти и нефтепродуктов.
Результаты диссертационной работы могут быть квалифицированы как решение крупной народно-хозяйственной проблемы — создание основ обеспечения пожарной безопасности объектов добычи нефти и газа.
Результаты диссертационной работы докладывались на VI Всероссийской научно-практической конференции «Пожарная безопасность и охрана труда в газовой и химической промышленности» (Санкт-Петербург, 2000); XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» (Москва, ВНИИП0.2001); XVII международной научно-практической конференции «Пожары и окружающая среда» (Москва, ВНИИП0.2002); XVIII международной научно-практической конференции «Снижение риска гибели
людей при пожарах» (Москва, ВНИИГ10,2003); тематическом семинаре «Об опыте декларирования промышленной безопасности и развитии методов оценки риска опасных производственных объектов» (Москва, НГЦ «Промышленная безопасность», 2003); 9-th International Conference on Fire Science and Engineering (Edinburgh, , 2001); 6-th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization (Kuala Lumpur, 2002); 4-th International Seminar on Fire and Explosion Hazards (Londonderry, 2003). По материалам диссертации опубликована 33 печатных работы.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Основное содержание работы
Во введении показана актуальность исследуемой проблемы; изложены цель и задачи, решаемые для её достижения, основные положения, выносимые на защиту; данные, характеризующие научную новизну и практическую ценность работы, а также её апробирование.
В первой главе проанализировано состояние проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов добычи нефти и газа.
Отмечено, что для современных объектов нефтегазодобычи характерны:
• интенсификация процессов добычи нефти и газа (вводятся в эксплуатацию установки комплексной подготовки газа (УКПГ) с производительностью более 30 млрд. м'газа в год, разрабатываются кусты скважин с двухрядной схемой разбуривания и т.п);
• рост энергонасыщенности объектов;
• убыстряющаяся смена технологий (внедрение современных высокопроизводительных установок предварительного сброса воды и подготовки нефти с использованием трехфазных аппаратов типа «Хиттер-Тритер», применение мультифазных перекачивающих насосов и т.п.);
• освоение удаленных труднодоступных районов (Заполярное газоконденсатное месторождение, Приобское месторождение нефти и газа, нефтяные и газовые месторождения континентального шельфа Сахалина и т.п.).
Номенклатура объектов нефтегазодобычи характеризуется широким разнообразием. Отметим наиболее крупные из них:
• морские нефтегазодобывающие платформы;
• технологические установки подготовки нефти и газа;
• дожимные насосные станции и т.д.
Каждый из названных объектов включает в себя целый комплекс сооружений, технологических и энергетических установок, вспомогательных и обслуживающих блоков и систем.
Особенности эксплуатации объектов и их пожарной охраны, характерные для предприятий по добыче нефти и газа, в частности, в районах Сибири и Крайнего Севера, условно можно разделить на 4 группы.
Первая группа особенностей обусловлена спецификой эксплуатации объектов. Как следствие, особенности противопожарной защиты, определяются в значительной степени географическим расположением месторождений, для которых характерны сложные инженерно-геологические и климатические условия.
Для данной группы особенностей характерны:
• специфические особенности развития аварийных ситуаций (растепление грунта, разлив нефти и т.п.);
• сложность использования ряда огнетушащих веществ и систем пожаротушения;
• трудности доставки пожарной техники к местам аварий (низкие температуры, ледостав, ледоход и т.п.).
Вторая группа особенностей определяется интенсификацией процессов добычи нефти, ростом энергонасыщенности объектов и убыстряющейся сменой технологий.
Интенсификация технологических процессов и рост их энергонасыщенности неминуемо приводят к высокой концентрации горючих веществ на объектах, и, как следствие, к повышению пожаровзрывоопасности процессов добычи, подготовки и транспорта нефти и газа.
Использование новых технологий, на которые отсутствуют норм проектирования, требует проведения целого ряда экспертиз и разработки документов, регламентирующих требования пожарной безопасности для вновь разрабатываемых технологических установок.
Третья группа особенностей вытекает из несовершенства нормативных документов, регламентирующих требования пожарной безопасности.
Названными документами достаточно трудно пользоваться, т.к. требования пожарной безопасности, в той или -иной степени касающиеся вопросов противопожарной защиты предприятий по добыче нефти и газа в районах Сибири и Крайнего Севера, изложены в более чем 200 нормативных документах
Кроме того большая часть названных документов разработана 15—20 лет назад и они, естественно, требуют переработки в соответствии с современными требованиями и спецификой защищаемых объектов.
Четвертая группа особенностей вытекает из новых условий хозяйствования. В частности, ориентация на экономическую целесообразность и экологическую безопасность при разработке месторождений порождает определенные объективные трудности для строгого соблюдения требований противопожарных норм и правил, обусловленные стремлением найти более экономически выгодные решения, обеспечив при этом требуемый уровень пожарной безопасности людей.
Высокая пожарная опасность объектов по добыче нефти и газа проявила себя в целом ряде крупных пожаров с человеческими жертвами. Среди них следует отметить пожары на морской нефтедобыввающей платформе «Piper Alpha» (1988 г.), газоперерабатывающем заводе в Мексике, Мехико (1984 г.), изотермическом хранилище сжиженного газа в г. Ионава (1989 г.), нефтеперерабатыающем заводе в г. Милдфорд, Великобритания (1993 г.), а также другие аварии с пожарами и взрывами. Это свидетельствует о том, что системы обеспечения пожарной безопасности объектов добычи нефти и газа развиты недостаточно.
На основе проведенного анализа сформулированы следующие основные направления исследований:
1. Разработка и усовершенствование методов оценки пожарной опасности объектов нефтегазодобычи (пожарный риск, поражающие факторы аварий с пожарами и взрывами).
2. Оценка уровня пожарной опасности морских нефтегазодобывающих платформ на основе расчета пожарного риска и разработка мероприятий по обеспечению их пожарной безопасности.
3. Анализ пожарной опасности технологических установок подготовки нефти и разработка мероприятий по ее снижению.
4. Выявление закономерностей подслойного тушения пожаров резервуаров хранения нефти, в том числе:
• разработка экспериментальной установки и методики исследований, позволяющих учесть эффекты возникновения «буруна» и встречного движения жидкости и пены;
• проведение исследований по тушению различных нефтепродуктов подачей пены'в слой горючего в условиях встречного движения жидкости;
• разработка модели процесса тушения пламени при подслойном вводе низкократной пены;
• проведение натурных «холодных» и «огневых» экспериментов по тушению резервуаров с различным количеством пенных насадков;
• определение влияния удельной скорости выгорания нефтепродукта на процесс тушения;
• изучение влияния параметров резервуара на оптимальное количество пенньгх насадков;
• разработка рекомендаций по оптимальной системе подслойного тушения;
5. Проведение комплекса исследований по обеспечению пожарной безопасности крупномасштабных изотермических резервуаров хранения сжиженного природного газа, в том числе:
• детально проанализировать технологию хранения СПГ в изотермических резервуарах и выявить наиболее типичные сценарии протекания пожароопасных аварий;
• проанализировать физико-химические процессы, протекающие при авариях на изотермическом хранилище СПГ, и выбрать детерминированные параметры, по которым будет проводиться оценка пожарной опасности объекта;
• выполнить расчеты поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами для типовых сценариев протекания аварий;
• выявить технологические и конструктивные элементы объекта, определяющие уровень его пожарной опасности;
• разработать комплекс научно-обоснованных мероприятий по противопожарной защите объекта;
6. Разработка нормативных и технических документов, регламентирующих пожарную безопасность объектов нефтегазодобычи, в том числе проекта специального технического регламента «Пожарная безопасность объектов добычи нефти и газа».
Вторая глава посвящена анализу и выбору методов оценки пожарной опасности объектов добычи нефти и газа.
Отмечено, что на сегодняшний день в России реализуются два основных подхода при оценке пожаровзрывоопасности объектов - детерминированный и вероятностный.
При детерминированном подходе к оценке опасности промышленных объектов вероятности образования горючей среды и появления источника зажигания условно принимаются равными 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».
К достоинствам детерминированного подхода можно отнести относительную простоту его использования, высокую степень завершенности и однозначности решения задач оценки^ пожаровзрывоопасности объектов. Недостатками этого подхода являются:
• жесткость в определении расчетного варианта аварии, даже если вероятность максимальной проектной аварии исчезающе мала. При этом применение защитных • мероприятий, в том числе и капитального характера, может быть избыточным и экономически нецелесообразным;
• использование этого подхода не стимулирует предприятие заботиться о повышении безопасности путем применения более надежного оборудования.
Результаты оценки, проведенной с применением детерминированного подхода, дают определенный запас надёжности, однако величина этого запаса может приводить к нерациональным материальным затратам на обеспечение пожаровзрывобезопасности объекта.
Вероятностный подход по своей сути более совершенен, так как основан на более рациональном сопоставлении величин опасных факторов пожара (взрыва), уровня обеспечения безопасности людей, ожидаемого материального ущерба и затрат на обеспечение пожаровзрывобезопасности. Результаты оценки, проведенной с применением вероятностного подхода, характеризуются величинами риска.
Все известные методы, используемые для оценки и анализа риска, могут быть сгруппированы в три общих группы.
Первая группа включает методы, основанные на индексации опасности возникновения аварии (пожара) и ожидаемого ущерба от нее. В большинстве случаев эти методы базируются на обобщении опыта специалистов, занимающихся проблемами обеспечения пожаровзрывобезопасности, и поэтому относятся к эмпирическим методам. Необходимо отметить, что возможности использования индексных методов для решения практических задач весьма ограничены из-за абстрактности показателей (индексы, баллы), не имеющих физической интерпретации.
Вторая группа включает методы, которые предполагают использование статистических данных об авариях, причинах их возникновения и ущербе. При наличии объективных статистических данных указанные методы позволяют получать достоверные результаты. Такие методы наиболее приемлемы для оценки риска на объектах с большим опытом практической деятельности, где имеется необходимая информация.
В настоящее время наибольшее распространение получила третья группа методов - расчетно-аналитические. В научной литературе описаны два различных подхода к оценке риска с помощью расчетно-аналитических методов:
• классический, основанный на рассмотрении деревьев событий, приводящих к реализации того или иного опасного фактора;
• основанный на имитационном моделировании аварий с расчетом их поражающих факторов (разновидность известного метода Монте-Карло). Следует отметить, что методы имитационного моделирования используются также при оценке частот возникновения инициирующих аварию событий.
Анализ риска включает в себя следующие основные этапы:
• идентификация опасностей, характерных для рассматриваемого объекта;
• определение перечня инициирующих аварийную ситуацию событий;
• анализ возможных аварийных ситуаций (включая установление частот их реализации);
• построение множества сценариев возникновения и развития аварийных ситуаций и аварий (построение логических деревьев событий);
• построение полей поражающих факторов, возникающих при различных сценариях развития аварии;
• оценка последствий воздействия опасных факторов на человека (или другие объекты).
Во второй главе изложены подходы к реализации этих этапов.
Проанализированы некоторые аспектах оценки пожарного риска для трубопроводов с горючими газами, легковоспламеняющимися и горючими жидкостями.
В предлагаемых методах оценки риска одним из основных параметров является годовая частота разгерметизации технологического оборудования, содержащего пожароопасные вещества (в нашем случае — трубопроводов). Указанные частоты приведены в соответствующих базах данных и характеризуют вероятность разгерметизации при номинальных режимах работы технологического оборудования, когда средние значения нагрузок на стенки оборудования (например, за счет давления находящегося внутри него газа или жидкости) отвечают расчетным параметрам. В то же время на практике часто имеет место ситуация, когда рабочее давление находящегося в оборудовании газа или жидкости заметно меньше давления, на которое рассчитано данное оборудование Ре. Ясно, что в этом случае годовая частота разгерметизации и тем самым пожарный риск будут ниже, чем при номинальной нагрузке, однако отсутствуют количественные оценки степени снижения этих величин. Данная задача имеет большое практическое значение, так как ее решение позволяет применять еще один способ снижения пожарного риска - снижение годовой частоты разгерметизации оборудования за счет уменьшения рабочего давления технологической среды в нем. Эта задача решена в главе 2 работы.
Известно, что как предел прочности материала трубопровода Я, так и ожидаемые напряжения о, возникающие в его стенках, носят вероятностный характер и имеют распределения, близкие к нормальным с соответствующими коэффициентами вариации и V. Состояние разрушения стенок
трубопровода наступает при выполнении условия
Введем переменную Б = Я - а, которая будет характеризовать возможность разрушения трубопровода (случай Б < 0). Случайная величина Б также будет иметь нормальное распределение с соответствующим коэффициентом вариации при этом вероятность разрушения трубопровода Ра описывается выражением
где <Б> = <Л> - <о>, а величины <К> и <о есть математические ожидания предела прочности и напряжения в стенках. Это выражение может быть записано в виде:
интеграл вероятностей, значения которого могут быть взяты из справочников. Вводя величину Я, характеризующую запас прочности трубопровода
можно получить выражение для у:
Тем самым на основе приведенных выше выражений может быть построена зависимость вероятности разрушения Р^ от запаса прочности трубопровода к. .
Показано, что даже небольшие (на 20%) вариации рабочего давления от расчётной номинальной величины существенно (на порядок) изменяют годовую частоту разгерметизации трубопровода. Указанное обстоятельство может быть использовано на практике как для снижения пожарного риска, связанного с разгерметизацией трубопровода, так и для предотвращения аварий за счет перегрузок по давлению.
Разработаны принципы определения минимально допустимых расстояний при размещении технологического оборудования с горючими газами и легковоспламеняющимися жидкостями на промышленных предприятиях
Одним из важнейших и наиболее часто используемых мероприятий по обеспечению пожарной безопасности промышленных предприятий является размещение технологического оборудования с горючими газами и парами на определенных расстояниях от окружающих их зданий и сооружений. Указанные расстояния должны при этом быть не меньше регламентированных строительными нормами и правилами и нормами пожарной безопасности минимально допустимых значений. Минимально допустимые расстояния, как в нашей стране, так и за рубежом назначаются, как правило, на основе обобщения отечественного и мирового опыта эксплуатации соответствующих объектов, и только в некоторых случаях определяются на основе анализа сценариев развития аварий с пожарами и взрывами с вычислением величин поражающих факторов (давления в волне сжатия, интенсивности теплового излучения и т.п.) на различных удалениях от пожароопасного оборудования.
Нормативные документы Госгортехнадзора России регламентируют размещение административно-бытовых и других зданий, в которых предусмотрено постоянное пребывание людей, вне зон возможного разрушения при возникновении аварийного взрыва. Методика расчета радиусов зон разрушения при этом предполагает использование энергетических потенциалов, вычисляемых в предположении полного разрушения технологического аппарата. При этом не учитывается частота реализации такого рода максимальной проектной аварии, которая может быть, вообще говоря, весьма • низкой (< 10"6 1/год). Однако радиусы зон возможных разрушений ударной волной от взрыва для такого инцидента могут быть значительны и превышать несколько сотен метров. По оценкам специалистов, при полном разрушении даже относительно небольшого резервуара с бензином объемом 3000 м3 на складе нефтепродуктов с дальнейшим испарение продукта, образованием взрывоопасного паровоздушного облака и его воспламенением радиусы зон разрушения могут превышать 400 м. Исходя из этого, административно-бытовые здания склада должны быть отнесены от резервуарного парка на расстояние не менее 400 м. В то же время строительными нормами и правилами минимально допустимые расстояния от наземных резервуаров склада до административных и бытовых зданий составляет 40 м.
Для устранения отмеченного противоречия многие специалисты уповают на совершенствование методов оценки последствий аварий с пожарами и взрывами (в частности, на уточнение методов расчета зависимости параметров ударной волны или волны сжатия при взрыве газопаровоздушной смеси в открытом или загроможденном пространстве). Однако ясно, что никакой, даже самый совершенный метод не позволит избежать основного изъяна применяемого в нормах подхода - необходимости учета наиболее крупкой аварии максимального по опасности технологического аппарата независимо от ожидаемой частоты ее реализации.
Близко к указанной проблеме стоит задача определения размеров взрывоопасных зон, необходимого для правильного выбора уровня взрывозащкты электрооборудования, размещаемого вблизи
пожаровзрывоопасных технологических установок. Правила устройства ■электроустановок (ПУЭ) регламентируют фиксированные величины размеров взрывоопасных зон практически вне зависимости от количества горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей, содержащихся в аппаратах. Аналогичный подход реализован в международных нормах. При этом представляется нелогичным, чтобы размеры взрывоопасных зон не зависели от массы и параметров состояния горючих веществ, находящихся в технологическом оборудовании: В то же время применение регламентированных в нормативных документах методов расчета размеров взрывоопасных зон в предположении аварии наибольшего аппарата приведет к
значениям, которые существенно превосходят приведенные в ПУЭ и вряд ли могут быть использованы на практике.
В связи с вышеизложенным в настоящей работе разработаны принципы определения минимально допустимых расстояний при размещении технологического оборудования с горючими газами и легковоспламеняющимися жидкостями, а также размеров взрывоопасных зон, которые позволили бы устранить отмеченные выше противоречия.
Для . устранения этого недостатка видится два основных пути: использование понятия потенциального риска (контуров риска) или принципа максимального ожидаемого воздействия.
Потенциальный риск - частота реализации поражающих факторов аварий с заданными последствиями (например, гибель людей) в рассматриваемой точке территории. Если на плане предприятия соединить точки с одинаковым потенциальным риском плавной кривой, то получается' замкнутые изолинии риска или контуры риска. Потенциальный риск характеризует распределения риска на местности безотносительно к тому, находится ли там персонал предприятия и какую долю времени этот персонал пребывает в опасной зоне.
Путем использования понятия потенциального риска естественным образом может быть решен вопрос о размещении тех или иных пожаровзрывоопасных технологических установок на территории предприятия. Вместо того, чтобы регламентировать размещение административно-бытовых зданий вне зон возможного разрушения при аварийных взрывах, как это делается в правилах, следует выдвинуть требование о расположении указанных зданий вне контуров с заданным предельно-допустимым для персонала уровнем пожарного риска.
Определение размеров взрывоопасных зон представляется целесообразным проводить с использованием принципа максимального ожидаемого воздействия. Суть этого принципа применительно к размерам взрывоопасных зон заключается в том, что при расчетах следует принимать во внимание аварийную ситуацию, при которой ожидаемый уровень взрывопожарной опасности (в* нашем случае - ожидаемый расчетный размер взрывоопасной зоны) имеет максимальное значение. Поясним, что понимается под ожидаемым расчетным размером взрывоопасной зоны.
Как известно, инициирование и протекание пожаровзрывоопасных аварий на технологических установках носит вероятностный характер. При этом каждому варианту аварии -отвечает, с одной стороны, некоторая частота ее реализации и, с другой стороны, определенная величина расчетного размера взрывоопасной зоны Кмр. В этом случае может быть построена функция распределения величины Яюр (Г (Я«,,)), численно равная плотности распределения частоты реализации аварии с расчетным размером взрывоопасной зоны Лир. Величина
называется ожидаемым расчетным значением размера взрывоопасной зоны.
Во-вторых, функция Б (Кмр) > 0 при О й Кюр< -юо, О(О) = 0, в (Яцр)-» 0 при Явзр —И-со. Отсюда следует, что в (Яюр) имеет по крайней мере один максимум. Из физического смысла этой функции понятно, что такой максимум может быть только один. Значение отвечающее данному максимуму, может
быть взято за расчетный размер взрывоопасной зоны, для которого (с учетом определенного коэффициента безопасности) может быть произведен выбор необходимого уровня взрывозащиты электрооборудования. При этом естественным образом устраняются отмеченный выше недостаток ПУЭ, когда размер взрывоопасной зоны не зависит от массы горючего газа или пара.
Третья глава посвящена вопросам обеспечения пожарной безопасности морских нефтедобывающих платформ. Приведено описание типовой стационарной ледостойкой платформы. Платформа включает в себя буровой модуль, технологический модуль, модуль вспомогательного оборудования, жилой модуль, а также складские помещения объёмной палубы. Рассмотрены основные пожароопасные аварии на указанном объекте, среди которых наиболее опасными являются инциденты в буровом и технологическом модуле. Оценены частоты реализации такого рода аварий, а также их поражающие факторы для таких сценариев, как пожар пролива нефти и других ЛВЖ, факельное горение нефти и газа, взрыв в помещении и на открытом пространстве, пожар-вспышка, пожар твердой пожарной нагрузки. Построены деревья событий, характеризующие возникновение и развитие пожароопасных аварий. Типичное дерево событий для аварии на сепараторе высокого давления с выбросом газа приведено на рис. 1. В табл. 1 представлены значение вкладов различных модулей платформы в общую величину индивидуального риска.
Из представленных в табл.1 данных следует, что наибольший вклад в величину индивидуального риска дают буровой и технологический модули, что является вполне понятным, поскольку указанные модули содержат технологическое оборудование со значительными количествами горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся по давлением.
Величина социального риска по всем модулям платформы составляет 1,4-10"5 год1.
Представляет интерес сравнить полученные результаты с предельно-допустимыми значениями риска, регламентированными нормативными документами. Для этого проанализированы вначале подходы, существующие в различных странах для назначения предельно-допустимых значений риска.
Критерии допустимого риска должны гарантировать, что население, проживающее поблизости от опасного предприятия, и персонал объекта не будут подвергаться чрезмерной опасности.
Отказ системы продувки
Р.1= 0.5 Горизонтальный факел
» ударные волны • тепловое излучение
избыточным давлением Р|9
Рис. 1. Логическая схема развития аварии на сепараторе высокого давления (выброс газа)
Таблица 1. Значения вкладов различных модулей платформы в общую _величину индивидуального риска _
Название модуля платформы Вклад в величину индивидуального риска, год"1
Буровой модуль - одна скважина - 16 добывающих и 4 газонагнетательных скважины 6,4-10"5 ЬЗ-Ю"3
Технологический модуль 1,4-10°
Подводный трубопровод для перекачки нефти 5,2-10'5
Жилой модуль 8,3-10"6
Модуль инженерных коммуникаций 9,0-10"7
Модуль сыпучих материалов 2, МО*
Модуль буровых растворов 3,3-10"5
Модуль вспомогательного оборудования 1,4-10"6
Складской модуль (объемная палуба) 9,7-10"3
Другие помещения объемной палубы 8,9-Ю-5
Модуль заводнения 3,9-10"8
По всем модулям 2,8-10"3
Существует несколько интерпретаций терминологии при определении критериев риска, причем термины «приемлемый» и «допустимый» иногда относятся к разным уровням риска, а иногда используются как взаимозаменяемые. Наиболее простая структура критериев приемлемости риска - это единственный уровень риска, который служит границей между допустимыми и недопустимыми рисками (иными словами, между допустимыми и недопустимыми видами деятельности). Такая структура критериев привлекает простотой получения результатов, но пользоваться ими следует с большой осторожностью, поскольку они не отражают погрешностей, присутствующих как при оценке рисков, так и при оценке того, что считать допустимым. Например, если следовать этим результатам строго, они могут показать, что некая деятельность, которая лишь слегка превысила критерии приемлемости рисков, могла бы стать приемлемой в результате небольшой корректирующей меры, но на самом деле эта мера едва изменила уровни рисков.
Существуют другие более гибкие структуры критериев приемлемости риска - например, используемая британским надзорным органом Health and
Safety Executive. В этой структуре, которая вначале применялась для атомных электростанций и позднее была принята для морских нефтегазодобывающих установок, указывается некий уровень риска, который обычно известен как "максимально допустимый" и выше которого риск считается недопустимым.
Ниже этого уровня риск также должен быть «низким, насколько это практически целесообразно» (критерий ALARP — практически целесообразный низкий уровень). Это значит, что, решая вопрос о необходимости принятия мер по снижению риска, можно учитывать стоимость этих мер, используя расчет рентабельности.. В этой области фисков чем выше риск, тем более он ■заслуживает принятия мер по снижению. Если же риск достаточно мал, может быть на его снижение вообще не стоит тратить средства и следует считать его пренебрежимо малым.
При таком подходе риск распределяется на 3 уровня: ^
• область недопустимого риска — в этой области риск считается недопустимым, поскольку вероятность и последствия возникновения пожара слишком велики. Здесь обязательны меры по снижению риска или соответствующие проектные изменения;
• область пренебрежимо малого риска — в этой области риск считается допустимым, так как или вероятность возникновения пожара настолько мала или его последствия настолько незначительны, что никаких мер по снижению риска не требуется;
• средняя область. В этой области риск считается допустимым только тогда, когда приняты меры, позволяющие сделать вероятность и последствия такого риска «настолько низкими, насколько это практически целесообразно». Следовательно, меры по снижению рисков должны осуществляться только при условии их практической целесообразности, определенной расчетом рентабельности.
Критерии допустимого риска (предельно допустимые значения риска) задаются директивно. Так, например, в Нидерландах максимально допустимое значение индивидуального риска составляет Ю-6 год"', социального - 10"5 год'1. В Великобритании надзорный орган - Health and Safety Executive определил для жилищного и культурно-бытового строительства в районах потенциально опасных объектов следующие зоны, на внешних границах которых устанавливаются следующие значения индивидуального риска:
• средняя - 10"6 год"1;
• внешняя - 3 ■ 10"7 год"1.
В России пожарная безопасность технологических процессов считается безусловно выполненной, если для населения индивидуальный риск меньше 10 год'1 и социальный риск меньше 10"7 год'1. Эксплуатация технологических процессов является недопустимой, если индивидуальный риск больше 10"* год"1 и социальный риск больше 10"3 год"1. Эксплуатация технологических процессов при промежуточных значениях риска может быть допущена после проведения
дополнительного обоснования, в котором будет показано, что предприняты все возможные и достаточные меры для уменьшения пожарной опасности.
Вопросы приемлемости риска для различных объектов рассматриваются в литературе ОУоЬЫ А., ОетЬэеу КА., МеасЬат В.1, 2000). При этом рассматриваются такие аспекты риска: добровольный - вынужденный, обычный — катастрофический, немедленный - отложенный, старый (известный) - новый (неизвестный), контролируемый — неконтролируемый, необходимый — не необходимый, непрерывный - случайный, природный - техногенный. Градация приемлемости индивидуальных рисков для зданий приводится в табл.2.
Из табл. 2 ясно, что назначение единого допустимого уровня риска вряд ли возможно. Вряд ли целесообразны одинаковые уровни риска для жилой зоны и территории производственного объекта с технологическими процессами повышенной пожарной опасности. При этом следует отметить, что персонал такого объекта, в отличие от населения, имеет соответствующую подготовку для действий как в нормальных условиях технологического процесса, так и при возникновении аварийных ситуаций.
Таблица 2. Соотношения различных видов риска
Факторы, характеризующие риск Возможные различия (в разы) для допустимых величин риска при указанных факторах
Добровольный - вынужденный 100
Обычный — катастрофический 30
Немедленный — отложенный 30
Старый - новый 10
Контролируемый - неконтролируемый 5-10
Необходимый — не необходимый 1
Непрерывный — случайный 1
Природный - техногенный 20
В случае рассматриваемого производственного объекта при оценке критериев допустимого пожарного риска наибольшее значение имеют такие виды факторов, как «добровольный (персонал) - вынужденный (население)» и «контролируемый (предусмотрены системы безопасности для персонала) -неконтролируемый (не предусмотрены системы безопасности для населения)». В этом случае допустимые значения риска для персонала по сравнению с допустимыми значениями риска для населения могут быть увеличены в 100х(5-^10) = 500 + 1000 раз. Если предельно допустимые значения индивидуального и социального риска для населения составляют 10"4 и 10"3 год"1 соответственно, то для рассматриваемого объекта эти предельные пожарного риска для персонала могут составить 5-10"4-И0"3 и 5-10'3-М0"2 год"1 соответственно. В связи с этим приведённые выше предельные значения индивидуального риска для персонала (с наличием 3-х уровней риска)
представляются вполне разумными. При этом для персонала разного рода объектов могут бьггь (в отличие от населения) назначены дифференциальные значения предельно допустимого риска.
Таким образом, для рассматриваемого объекта — нефтедобывающей платформы - в качестве критериев допустимого пожарного риска можно использовать следующие предельные значения индивидуального и социального риска.
Индивидуальный риск для персонала:
• Риск больше 10"3 год"1 — зона недопустимого риска. В этой зоне необходимо проводить соответствующий комплекс мероприятий по снижению риска.
• Риск меньше 10° год"1, но больше 10"5 год"1 — зона жёсткого контроля риска. В этой зоне риск считается допустимым^ только тогда, когда приняты меры, позволяющие его снизить настолько, насколько это практически целесообразно. При этом должны выполняться следующие требования: нахождение в зоне ограниченного числа людей в течение ограниченного отрезка времени, персонал объектов должен быть хорошо обучен и готов к действиям по локализации и ликвидации пожароопасных ситуаций и пожаров, должна быть отработана система оповещения о пожароопасных ситуациях и пожаре.
• Риск меньше 10"5 год"1 - зона безусловно приемлемого риска. В этой зоне не требуется проведения дополнительных защитных мероприятий.
Социальный риск для персонала:
• Риск больше 10'3 год'1 - зона недопустимого риска.
• Риск меньше 10"3 год"', но больше 10"3 год"1 — зона жёсткого контроля риска.
• Риск меньше 10"5 год"' - зона безусловно приемлемого риска.
На основе анализа риска сформулированы мероприятия по пожарной безопасности морских стационарных нефтедобывающих платформ.
Четвёртая глава посвящена исследованию вопросов пожарной безопасности технологических установок нефти. Установки предназначены для разделения нефти, воды и попутного газа. Водонефтяная эмульсия состоит из суспензии капелек, не поддающихся разделению на две различимые фазы за счёт одной лишь гравитационной сепарации. Одним из экономически выгодных методов разрушения эмульсии является нагревание жидкости и создание условий для оседания или обеспечения времени задержки, способствующей процессу сепарации.
Выполнен анализ и обобщение статистических данных, которые позволили выделить следующие возможные пожароопасные аварийные ситуации на установках предварительного сброса воды и подготовки нефти:
1. Разрушение корпуса, пролив содержимого установки и трубопроводов, выброс газа.
2. Трещина в корпусе выше уровня нефти и выход газа.
3. Трешина в корпусе ниже уровня нефти, пролив содержимого с конечным расходом и выход газа.
4. Разрушение подводящего трубопровода. Пролив нефтяной эмульсии, выброс газа.
5. Разрушение трубопровода выхода нефти. Пролив нефти.
6. Разрушение газового трубопровода. Выброс газа.
7. Прогар жаровой трубы. Выброс содержимого установки.
8. Утечка жидкости (или газа) в помещение блока управления.
9. Разрушение скруббера. Пролив газового конденсата.
Выполнены расчёты поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами, результаты которых представлены ниже на рис.2
На рис. 2 представлена типичная зависимость интенсивности теплового излучения от расстояния от точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара до облучаемого объекта.
В случае воспламенения с задержкой сгорание образовавшейся газовоздушной смеси может происходить с развитием избыточного давления в воздушной ударной волне.
Максимальное избыточное давление при дефлаграционном сгорании горючего облака (рис. 3) составит ДР=8,5 кПа (видимая скорость пламени и<=70 м/с).
На рис. 4 представлена типичная зависимость интенсивности теплового излучения для пожара пролива нефти от расстояния от геометрического центра пролива до облучаемого объекта для четырех случаев (пролив в обвалование; площади обвалования: Р]=375 м2; Рг=500 м1; Р3=520 мг; Р«=750 м1).
Радиус зоны, ограничивающей область концентраций, превышающих НКПР пламени (Янкпр), при испарении нефти в неподвижной воздушной среде составит 95; 105; 106 и 120 м, соответственно.
Основными принципами обеспечения пожарной безопасности, используемыми при разработке противопожарных мероприятий для рассматриваемого объекта, являются:
. • обеспечение пожарной безопасности технологического процесса;
• использование современных технических решений, систем предупреждения пожара, противопожарной защиты, а также проведение организационно-технических противопожарных мероприятий;
• выполнение требований действующих нормативных документов, направленных на обеспечение пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса и использование накопленного опыта по обеспечению пожарной безопасности объектов подобного назначения.
В соответствии с требованиями действующих нормативных документов пожарная безопасность объектов должна обеспечиваться: