автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Анализ и оценка риска аварий резервуаров и газопроводов при низких температурах

На правах рукописи

Захарова Марина Ивановна

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА РИСКА АВАРИЙ РЕЗЕРВУАРОВ И ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

2 Я АРГ 7П15

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2015

005561616

005561616

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН ИФТПС СО РАН)

Научный руководитель доктор технических наук

Большаков Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Ларионов Валерий Иванович

доктор технических наук, профессор, ООО «Центр исследований экстремальных ситуаций» / первый заместитель генерального директора по научной работе;

Солодовников Александр Владимирович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» / кафедра «Промышленная безопасность и охрана труда», доцент

Ведущая организация ФГБУН Специальное конструкторско -

технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра СО РАН, г. Красноярск.

Защита состоится 18 сентября 2015 года в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет" по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет" и на сайте www.rusoil.net.

Автореферат разослан «/3» ё-г^стл. 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Риф Гарифович Ризванов

Актуальность темы работы. Повышение безопасности объектов нефтегазового комплекса является актуальной научной задачей. Резервуары и газопроводы относятся к опасным объектам нефтегазового комплекса. Аварии на резервуарах и газопроводах могут привести к катастрофическим последствиям.

Определенный интерес представляет анализ риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов для транспортировки газа, эксплуатирующихся в экстремальных природно-климатических условиях Севера.

В условиях Севера, определяющими внешними факторами являются низкие температуры атмосферного воздуха и аномальные неблагоприятные метеорологические условия, характеризующиеся глубокими

продолжительными инверсиями в сочетании со штилем. Эти внешние параметры окружающей среды оказывают влияние как на частоту аварий, так и на дальность зоны действия поражающих факторов при аварии.

Отмеченные обстоятельства делают актуальными анализ и оценку риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов для транспортировки газа в условиях Севера.

Целью работы является развитие теории анализа и оценки риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов при низких температурах с учетом аномальных неблагоприятных метеорологических условий для повышения промышленной безопасности опасных производственных объектов, работающих в условиях Севера.

К аномальным метеорологическим условиям Севера относятся экстремально-низкие температуры атмосферного воздуха, мощные продолжительные температурные инверсии и их сочетания со штилем. На основе выявленных особенностей влияния аномальных метеорологических условий на параметры риска, разработан методический подход к анализу риска аварий резервуаров и газопроводов при неблагоприятных метеорологических условиях (низкие температуры, инверсия, штиль).

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Сбор и анализ информации об авариях резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов, произошедших при минусовых температурах окружающей среды.

2. Выявление основных причин аварий резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов на основе анализа данных по авариям.

3. Разработка «дерева отказов» при хрупком разрушении резервуара, «деревьев событий» аварий резервуаров и газопроводов с определением условных вероятностей реализации сценариев.

4. Оценка исходных частот аварий магистральных газопроводов и резервуаров с нефтепродуктами, полученных на основе анализа данных об авариях при минусовых температурах окружающей среды.

5. Оценка последствий аварий резервуаров и газопроводов при аномальных условиях Севера (низкие температуры, инверсия, штиль):

- сравнительный анализ значений коэффициента пропускания атмосферы и интенсивностей теплового излучения в результате пожара на резервуарах и газопроводах при различных температурах окружающего воздуха;

- обоснование влияния опасных метеоусловий (сочетаний инверсии со штилем) на вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси облака метана в открытой местности при аварии на газопроводе и опасных паров снаружи резервуара при технологических выбросах. Оценка вероятностей наступления опасных метеоусловий по результатам анализа метеорологических данных. Сравнительный анализ вероятностей появления опасных метеоусловий в зимнее и летнее время;

- обоснование влияния температурной инверсии на величину слабой ударной волны в условиях Севера, оценка безопасных расстояний.

6. Оценка индивидуального, материального, экологического риска аварий резервуаров и газопроводов с использованием разработанного методического подхода.

Научные положения, выносимые на защиту:

На защшу выносятся результаты теоретических и расчетных исследований, полученные на их основе рекомендации по анализу риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов в условиях Севера:

1. Исходные частоты аварий резервуаров и газопроводов, предназначенные для количественной оценки риска при минусовых температурах окружающей среды.

2. «Деревья событий», разработанные на основе сбора, анализа и систематизации данных аварий резервуаров и газопроводов, произошедших при минусовых температурах, включая частоты реализации аварийных сценариев.

3. Обоснование увеличения значения интенсивности теплового излучения от пожара при снижении температуры окружающей среды.

4. Обоснование влияния опасных метеоусловий (сочетаний инверсии со штилем) на вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси облака метана в открытой местности при аварии газопровода и опасных паров снаружи резервуара при технологических выбросах.

5. Обоснование влияния температурной инверсии на величину избыточного давления слабой ударной волны в условиях Севера.

6. Результаты оценки риска аварий резервуаров и газопроводов, полученные с использованием разработанного методического подхода.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны «дерево отказов» хрупкого разрушения резервуаров, «деревья событий» при взрыве резервуара и истечении газа из газопровода, с оценкой частот реализации аварийных сценариев при минусовых температурах окружающей среды; получены исходные частоты аварий резервуаров и газопроводов, предназначенные для количественной оценки риска.

2. Выявлено, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается коэффициент пропускания атмосферы, следовательно, увеличивается и интенсивность теплового излучения. Показано, что при снижении температуры окружающей среды от +30 до -50 °С, безопасное расстояние для человека при пожаре разлития нефтепродукта увеличивается на 14 %.

3. Обоснована необходимость учета влияния температурной инверсии на величину избыточного давления слабой ударной волны в условиях Севера.

4. Установлено, что вероятность появления опасных метеоусловий (сочетании инверсии со штилем) в зимний период может увеличиваться более чем на порядок (в 13 раз) по сравнению с летним периодом, что увеличивает и вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси облака метана в открытой местности или взрывоопасной смеси снаружи резервуара. Практическая ценность работы:

Основные результаты диссертационной работы используются ООО "Научно-технический центр анализа промышленного риска Севера" при анализе и количественной оценке риска аварий резервуаров и газопроводов в декларациях промышленной безопасности, в планах локализации и ликвидации аварий на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах, в планах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались статистические методы исследования: сбора и обработки данных - анализ и синтез, описание, обобщение, декомпозиции развития возможных аварийных ситуаций; теории вероятностей; сравнительного анализа.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 2-й Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (Москва, 21-23 октября 2014); V Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы», (Воронеж, 18-19 сентября 2014 г.); VI Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата, (Якутск, 24-29 июня 2013, г.); The NT2F13: New Trends in Fatigue and Fracture Conference (Moscow, Russia, 13-16 May 2013); Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (Москва, 2224 октября 2012 г.); Всероссийской научно - практической конференции

«Сварка и безопасность» (Якутск, 11-12 октября 2012 г.); IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 913 октября 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ в научных журналах и различных сборниках, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка источников из 120 наименований. Содержит 140 страниц, 26 таблиц, 15 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна работы и ее практическая ценность.

Первая глава посвящена методологии количественной оценки риска, ее основным понятиям и этапам выполнения количественной оценки риска, также обзорному анализу существующих российских нормативно-методических документов.

Принятие федеральных законов «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций», «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», «О техническом регулировании» способствовало появлению многочисленных нормативных и методических разработок по вопросам промышленной и экологической безопасности.

В руководящем документе РД 03-418-01 сформулированы основные методические принципы, термины и поняли анализа риска, определены общие требования к процедуре и оформлению результатов анализа риска, предложена трактовка количественных показателей риска - индивидуального, социального, коллективного, потенциального территориального риска и ожидаемого ущерба.

Для расчета поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами важным нормативным документом Российской Федерации является стандарт ГОСТ Р

12.3.047-2012 ССБТ, использующий во многом зарубежные методы. Одним из наиболее совершенных подходов к оценке последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей является методика, изложенная в РД 03-409-01. Подробные описания последовательных этапов количественного анализа риска применительно к технологическим объектам транспорта газа изложены в методических указаниях СТО Газпром 2-2.3-351-2009. Значительный вклад в разработку нормативно-методической документации по промышленной безопасности и анализу риска аварий внесли специалисты ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность».

Теоретические и практические вопросы анализа риска потенциально опасных объектов изложены на русском языке в ряде переводных и отечественных изданиях. В нашей стране становление этого направления связано с именами В.А. Акимова, В.Т. Алымова, Р.Н. Бахтизина, М.Г. Баширова, П.Г. Белова, М.В. Бесчастнова, A.A. Быкова, О.М. Волкова, А.Н. Елохина, A.M. Козлитина, В.А Котляревского, И.Р. Кузеева, И.И. Кузьмина, В.И. Ларионова, В.А. Легасова, A.M. Лепихина, М.В. Лисанова, A.B. Лыглаева, H.A. Махутова, В.В. Меньшикова, В.В. Москвичева, A.C. Печеркина, В.А. Прохорова, Б.Е. Прусенко, А.М. Ревазова, B.C. Сафонова, В.И. Сидорова, М.Х. Хусниярова, A.A. Швыряева, В.В. Яковлева и др. крупных специалистов.

Проведенный обзор и анализ выполненных исследований показал, что методология анализа риска аварий резервуаров и газопроводов остается не до конца разработанной для условий Севера. Все это требует проведения дополнительных исследований по детальному и полному учету особенностей влияния низких температур и аномальных метеорологических условий на параметры риска.

Вторая глава посвящена анализу риска аварий резервуаров при низких температурах.

По результатам анализа аварий резервуаров, произошедших при низких температурах на территории Республики Саха (Якутия) с 1979 г. по 2014 г.,

выявлены основные причины хрупкого разрушения, разработано «дерево отказов» хрупкого разрушения резервуара, рисунок 1.

Основными причинами хрупкого разрушения резервуаров при низких температурах являются: использование кипящей стали ВСтЗкп, составляет 6,25 % от общего числа причин аварий; сквозные трещины - 31,25 %; неравномерная осадка основания резервуара - 18,75 %; охрупчивание материала резервуара из-за низких температур - 31,25 %; механические внешние воздействия — 6,25 %; старение металла — 6,25 %.

хрупкое разрушение резервуара

наличие дефекта

снижение трещиностойкости

возникновение

дополнительных

напряжений

илиИ

сквозные трещины, свищи

[-Щ^™

сталь

низкого

качества

| старение]

несвоевременная техническая диагностика

-Щлй}

низкие температуры

неравномерные осадки основания резервуаров

влияние температуры окружающей среды

внешние воздействия

Рисунок 1 - «Дерево отказов» хрупкого разрушения резервуаров при

температурах ниже -50 °С Анализ разрушений резервуаров при низких температурах показывает, что хрупкое разрушение реализуется только при наличии и совместном проявлении следующих факторов: наличие дефектов, появление дополнительных напряжений и снижение трещиностойкости материала. Аварии с хрупким разрушением резервуаров сопровождаются выбросом значительного количества нефтепродуктов, которые представляют серьезную экологическую опасность.

Экологический риск от разлива нефтепродукта при хрупком разрушении резервуара, определяют как произведение величины ущерба на частоту хрупкого разрушения резервуара .

Частоту хрупкого разрушения резервуара оценим по статистике аварий резервуаров с хрупким разрушением, произошедших при отрицательных температурах.

По усредненной оценке общее количество вертикальных резервуаров в Республике Саха (Якутия) составит 1000 шт., время эксплуатации нефтебаз 40 лет, количество аварий с хрупким разрушением резервуаров произошедших при отрицательных температурах с 1979 по 2013 г. - 7. Аварии в основном происходили при температурах ниже минус 50 °С.

По результатам оценки частота хрупкого разрушения резервуара при экстремально-низких температурах Л^ составит 1,75 • 10"4 год

Для оценки величины ущерба от разлива нефтепродукта можно рекомендовать методику, изложенную в нормативном документе «Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами, 1993».

Основная опасность аварий резервуаров связана с возможностью взрыва и пожара.

По результатам анализа известных аварий со взрывом резервуара, произошедших при минусовых температурах окружающей среды с 1982 г. по 2011 г., выявлены основные причины взрыва резервуаров, разработано «дерево событий» взрыва резервуара с оценкой условных вероятностей реализации сценариев, рисунок 2.

Основными причинами аварий со взрывом резервуаров являются: термическое воздействие соседних резервуаров, составляет 18,18 % от общего числа аварий; воздействие статического электричества - 9,09 %; нарушение правил технической и пожарной безопасности - 45,46 %; диверсия - 9,09 %; воздействие резкого колебания температуры - 9,09 %; взрыв соседнего оборудования - 9,09 %.

Частоту взрыва резервуара оценим по статистике аварий взрыва резервуаров, произошедших при отрицательных температурах. С 1970 по 2013 г. произошли 4 аварий со взрывом резервуара при отрицательных температурах на

территории РС (Я). При количестве резервуаров - 1000, времени эксплуатации - 40 лет, частота взрыва резервуара при отрицательных температурах составит 1 • 10^ год"1.

Поражение соседнего оборудования (резервуара)

Пожар разлития в обваловании

Взрыв в газовом пространстве резервуара, пожар резервуара, разрушение

Р = 0,73

Нет данных о пострадавших

Р = 0,09

Поражение Без поражения персонала соседнего оборудования

Р = 0.91

Р = 0,44

Сценарий 1, Н(С,)=6,б-10' 1/год

Сценарий 2, Н(Сг)=2,9-10 1/год

Поражение

соседнего

оборудования

Формирование горящей гидродинамической волны прорыва, разрушение (резервуара) обвалования, растекание горящего нефтепродукта по территории объекта

Нет пострадавших Сценарий 3,

- Н(С )=3,710 1/год

Р = 0,56

Поражение персонала Сценарий 4?

Н(С )=1,35Ю 1/год

Р,= 0,27

Р. = 0,5

Р4=1

Нет пострадавших Сценарий 5, — ЩС^О 1/год

Р = 0

Без поражения Поражение персонала Сценарий 6, соседнего '-«

оборудования Р = 0,5 ЩС^б,75-10 1/год

Нет пострадавших Сценарий 7,

Н(Сг)=6,7510~' 1/год

Р = 0,5

Р = 0,5

Рисунок 2 - «Дерево событий» при взрыве резервуара с нефтепродуктом при отрицательных температурах Рассмотрим наиболее опасный сценарий 4 (рисунок 2). Условная вероятность этого сценария определяется как произведение условных вероятностей следующих событий: взрыв в газовом пространстве резервуара, пожар, разрушение резервуара с вероятностью Р1 —► формирование горящей гидродинамической волны прорыва, разрушение обвалования, растекание горящего нефтепродукта по территории объекта - Р2 —*■ поражение соседних резервуаров - РЗ —► поражение персонала - Р4.

Частота возникновения наиболее опасного сценария 4 составит 1,35 • 10~5 год"1. Аналогично оценены частоты других сценариев реализации аварии при взрыве резервуара (рисунок 2).

В стандарте ГОСТ Р 12.3.047-2012 ССБТ интенсивность теплового излучения при пожаре разлития нефтепродуктов на расстоянии г от центра

пожара определяется как произведение следующих параметров: среднеповерхностной интенсивности излучения пламени, углового коэффициента облученности; коэффициента пропускания атмосферы.

Для исследования влияния температуры окружающей среды на коэффициент пропускания атмосферы Тп(г) используем формулы Симпсона 1С и Тарабанова М.Г.

Графики зависимостей коэффициента пропускания атмосферы Т„(г) от расстояния приведены на рисунке 3.

г, н

1-Т=0°С (273 К), Ш = 1; 2-Т = 40°С (313 К), ОН = 1; 3 -Т= -70 "С (203 К), ПН = 1;

4. т= -50 "С (223 К), ЛЯ = /; 5 -Т= -30 "С (243 К), ДЯ = 1; 6-Т=-10 °С (263 К), ЯН = 1

Рисунок 3 - Графики зависимостей коэффициента пропускания атмосферы

Тп (г) от расстояния г при различных температурах окружающей среды

Из рисунка 3 видно, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается коэффициент пропускания атмосферы, следовательно, увеличивается и интенсивность теплового излучения.

Результаты оценки безопасных расстояний для человека при реализации сценария 4 на вертикальных резервуарах с нефтепродуктом при температуре окружающей среды +30 °С и - 50 °С представлены на рисунке 4.

По результатам оценки безопасных расстояний для человека при реализации наиболее опасного сценария на вертикальных резервуарах с нефтепродуктом выявлено, что при снижении температуры окружающей среды от +30 до - 50 °С безопасное расстояние от источника пожара отдаляется от 11 до 100 метров в зависимости от объема разлившегося нефтепродукта, относительное увеличение безопасного расстояния составляет 14%. Так как безопасное расстояние от источника пожара изменяется в сторону увеличения, то при оценках безопасных расстояний необходимо учитывать температуру окружающей среды.

а"

V

а

2 I

» Я

' й. Л 8

а

И

§ §

в а

3 ? « ф

о ф

450 400 350 300 250 200 150 100

412,

342

294

1 286

225 < 246

189

164

— при Т = - 50 С -О— при Т = + 30 °С

РВС-1000 РВС-2000 РВС-3000

РВС-5000

Рисунок 4 - Результаты оценки безопасных расстояний для человека при реализации сценария 4 на вертикальных резервуарах РВС-1000,2000, 3000,5000 при температурах окружающей среды +30 и -50 °С

По разработанному «дереву событий» взрыва резервуаров, оценим индивидуальный риск при реализации сценария 4 на резервуаре РВС-3000 с нефтепродуктом. Индивидуальный риск в зоне действия открытого

пламени при реализации наиболее опасного сценария 4 составит 1,35 • 10"5 год" Индивидуальный риск находится в диапазоне от 10"6 до 10"4 год"1, т.е. попадает в зону жесткого контроля риска.

Третья глава посвящена анализу риска аварий газопроводов в условиях Севера.

Для разработки «дерева событий» истечения газа из газопровода и определения условных вероятностей реализации сценариев, рисунок 5, собраны и проанализированы известные аварии газопроводов, произошедшие при минусовых температурах окружающей среды с 1989 г. по 2011 г.

Поражение

Поражение людей

соседних объеетов РГ1

Р=0,П Нет пострадавших

С последующим воспламенением Без поражения соседних Р=0 Поражение

Р=0,66 людей

Истечение газа объектов Р=0Л2

из газопровода Р=0,89 Нет пострадавших

Р,=1

Без последующего воспламенения Р=0,88

Р=0,34

Сценарий 1:

Н (Стах)=2,ЗхЮ ¡/(км год)

Н (С2)=0 ¡/(кмгод) Сценарий 3:

Я (С3)=2,Зх10 ! 1/(км год) Сценарий 4:

Я (С,)=1,7х10* ¡/(км год) Сценарий 5:

Я (С5)=1,1хЮ~4 I/(км год)

Рисунок 5 - «Дерево событий» при истечении газа из газопровода при отрицательных температурах окружающей среды

Частоту истечения газа из газопровода при низкой температуре оценим по статистике аварий, произошедших при отрицательных температурах на действующей части магистрального газопровода газопровод «Мастах-Берге-Якутск».

Магистральный газопровод «Мастах-Берге-Якутск» диаметром 530 мм общей протяженностью 936 км эксплуатируется с 1967 года. За период с 1967 по 2013 г. при отрицательных температурах произошли 12 аварий с истечением газа.

По результатам оценки частота истечения газа из газопровода при отрицательных температурах составит 3,2 • 10"4 1/(кмтод).

Рассмотрим наиболее опасный сценарий 1 (рисунок 5) - истечение газа из газопровода с последующим воспламенением и поражением соседних объектов. Условная вероятность этого сценария определяется как произведение условных вероятностей следующих событий: истечение газа из газопровода с вероятностью Р1 —> воспламенение газа с вероятностью Р2 —* поражение соседних объектов с вероятностью РЗ —> поражение людей с вероятностью Р4.

Частота возникновения наиболее опасного сценария 1 составит 2,3х10"5 1/(кмтод). Аналогично оценены частоты других сценариев реализации аварии при истечении газа из газопровода (рисунок 5).

По разработанному «дереву событий» истечения газа из газопровода оценивается экологический риск от загрязнения атмосферы метаном при реализации сценария 5 как произведение величины удельного ущерба на массу аварийного выброса и на частоту возникновения сценария 5. Аналогично определяются материальный риск от потерь газа й„, и от проведения ремонтно-восстановительных работ Крвр.

Наиболее опасными поражающими факторами аварий газопроводов являются тепловое излучение при пожаре газопровода и воздушная волна сжатия при дефлаграционном взрыве облака газовоздушной смеси метана в открытой местности.

Рассмотрим вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси (ГВС) облака метана в открытой местности. Наиболее значительное скопление взрывоопасной ГВС в окружающей среде имеет место, когда появляются неблагоприятные для ее рассеивания метеорологические условия, характеризующиеся мощными температурными инверсиями в сочетании со штилем.

Вероятность (частота) образования взрывоопасной ГВС облака метана Ргвс оцениваем как произведение следующих параметров: вероятности (частоты) истечения газа из газопровода на вероятность опасных метеорологических условий.

В холодное время года всю территорию Восточной Сибири охватывает мощный сибирский антициклон, в котором происходит формирование континентального воздуха, в нижних слоях более холодного, чем арктический. Формирование континентального воздуха в зимнее время способствует большой потере тепла земной поверхностью в результате излучения, приводит к сильному охлаждению воздуха снизу и образованию мощных инверсий, т. е. к возрастанию температуры с высотой. Районом исключительно мощных и продолжительных инверсий является Якутия.

Рассмотрим сравнение вероятностей появления сочетаний инверсии со штилем при отрицательных и положительных температурах окружающей среды на примере п. Оймякон.

По результатам анализа и систематизации статистических метеоданных с 1997 по 2013 г. получены вероятности появления опасных метеоусловий по месяцам в зимнее и летнее время в п. Оймякон (рисунок 6, рисунок 7).

октябрь ноябрь декабрь январь февраль :ларт ифедь

мееащ.1

Рисунок 6 - Вероятности появления опасных метеорологических условий по месяцам в зимнее время в п. Оймякон

пай июнь июль август сентябрь

месяцы

Рисунок 7 - Вероятности появления опасных метеорологических условий по месяцам в летнее время в п. Оймякон

Сравнение вероятности образования инверсии со штилем при отрицательных и положительных температурах, показывает, что вероятность появления опасных метеоусловий в зимний период увеличивается от 5 до 13 раз по сравнению с летним периодом. Следовательно, увеличивается и вероятность образования взрывоопасной ГВС облака метана.

Рассмотрим дефлаграционный взрыв ГВС облака метана в открытой местности. Для оценки параметров дефлаграционного взрыва облака метана можно рекомендовать методику НТЦ «Промышленная безопасность», изложенную в документе РД 03^109-01. Но на дальних расстояниях в условиях Севера, следует учесть влияние мощных температурных инверсий на параметры слабой ударной волны, т. е. на волны с избыточным давлением не более 200 Па.

Изучению влияния инверсии на возможность увеличения слабых воздушных волн при взрывных работах посвящены труды следующих авторов -Цейтлин Я.И, Ганопольский М.И., Громов В.А., Рыбнов Ю.С., Кудрявцев В.И., Евменов В.Ф., Меньшиков П.В.

В работе Меньшикова П.В. экспериментально получены коэффициенты возможного увеличения воздушной ударной волны в зависимости от характера изменения температуры с высотой. При отрицательном градиенте температур, увеличения избыточного давления ударной волны не наблюдается. При

положительном градиенте температур возможны увеличения избыточного давления ударной волны от 5 до 100 раз, в зависимости от характера инверсии. Результаты экспериментальных работ Меньшикова П.В. можем применить для крупных аварий газопроводов, таких как взрыв ГВС облака метана в открытом пространстве.

Рассмотрим механизм увеличения избыточного давления ударной волны под влиянием температурной инверсии. Известно, что скорость распространения ударной волны с увеличением температуры повышается. Поэтому при температурной инверсии, когда температура растет с высотой, движение волны в приземном слое будет более медленное и фронт волны отклонится к поверхности земли. Схематично это показано на рисунке 8.

в результате фокусировки ударная волна усиливается

Рисунок 8 - Эффект фокусировки ударных волн при температурной инверсии

Ударные волны, вышедшие под углом х, отклонятся к земле и достигнут поверхности земли на некотором расстоянии. Ударные волны, вышедшие под углом у (у<х), достигнут поверхности земли на меньшем расстоянии. Отразившись от поверхности, они совершат еще один цикл. При соответствующем соотношении х и у ударные волны, вышедшие под углом х, придут в ту же точку, что и ударные волны, вышедшие под углом у. Сложение волн в точке прихода приведет к увеличению давления в фазе сжатия.

Таким образом, на расстояниях, где избыточное давление достигает 200 Па при температурной инверсии, необходимо учитывать увеличение значения избыточного давления в зависимости от характера изменения температуры с высотой. Результаты оценки увеличения избыточного давления АРф (200 Па) слабой ударной волны представлены в таблице 1.

высота

'1 распространение ударных волн

расстояние

Таблица 1 - Результаты оцеиьси увеличения избыточного давления АРф (200 Па) слабой ударной волны в зависимости от характера изменения температуры с высотой при взрыве ГВС облака метана

Градиент температуры с высотой Изменение скорости распространения ударной волны Уув с высотой Н к ДРф, кПа Степень поражения

С П

Слабый положительный градиент около поверхности с сильно положительным градиентом вверху (инверсия) Н Г V» 25 5 расте- кление зданий возможны осколочные травмы

Отрицательный градиент у поверхности с сильно положител-ным градиентом вверху (приподнятая инверсия) Н < V, 100 20 средние повреждения зданий серьезное повреждение тканей

где К - Коэффициент возможного увеличения избыточного давления АРф ударной волны; С - сооружения; П - персонал (население).

Четвертая глава посвящена сравнению исходных частот аварий резервуаров и газопроводов, полученных при минусовых температурах с общими среднестатистическими данными о частотах и рекомендациям по снижению риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера.

Значения частот аварий резервуаров и газопроводов при отрицательных и положительных температурах на территории РС(Я) представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения частот аварий резервуаров и газопроводов при отрицательных и положительных температурах на территории РС(Я) с 1979 по 2013 г.

Частота разрушения резервуаров, Угод Частота взрыва резервуаров, Угод Частота истечения газа из газопровода,1/(км-год)

При отрицательных температурах 1-10^ (при температурах ниже минус 50 °С) МО"4 3,2-10"4

При положительных температурах 5-10"5 1,6-Ю"4

По результатам сравнения частот аварий резервуаров и газопроводов, произошедших при отрицательных и положительных температурах, выявлено, что частоты аварий при отрицательных температурах выше, чем при положительных температурах.

Это объясняется охрупчиванием материалов при низких температурах, также возникает необходимость применения техногологического процесса -электроподогрева нефтепродуктов, что способствует возникновению дополнительных факторов опасности. При низких температурах возникают промерзание грунтов (сезонное промерзание и оттаивание), что приводит к деформациям элементов резервуаров и газопроводов, вследствие чего возникают дополнительные напряжения.

Рекомендации по уменьшению риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера, в первую очередь, связаны со снижением вероятности хрупкого разрушения резервуаров и газопроводов при низких температурах, также со снижением вероятности аварий из-за ошибок персонала.

В целях безопасности населения от взрывов и пожаров при авариях резервуаров и газопроводов, необходима оценка безопасных расстояний с учетом внешних метеорологических условий (низкие температуры, мощные продолжительные температурные инверсии и штиль), которые существенно увеличивают значения параметров поражающих факторов при аварии. Основные выводы и рекомендации

В диссертационной работе представлена необходимость развития методики анализа и оценки риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ действующих нормативных документов в области анализа риска и идентифицирована необходимость проведения анализа

риска аварий резервуаров и газопроводов при низких температурах окружающей среды.

2. Выявлены основные причины аварий резервуаров и газопроводов на основе анализа данных по авариям резервуаров и газопроводов, произошедших при отрицательных температурах окружающей среды

3. По результатам анализа статистических данных аварий на резервуарах и газопроводах, получены исходные частоты аварий резервуаров и газопроводов, предназначенные для количественной оценки риска при низких температурах окружающей среды; разработаны «дерево отказов» хрупкого разрушения резервуаров, «деревья событий» при взрыве резервуара и истечении газа из газопровода с оценкой частот реализации аварийных сценариев.

4. Сравнительный анализ коэффициентов пропускания атмосферы при различных температурах, показал, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается коэффициент пропускания атмосферы, следовательно, увеличивается и интенсивность теплового излучения. Оценка безопасных расстояний для человека при реализации наиболее опасного сценария на вертикальных резервуарах с нефтепродуктом показала, что при снижении температуры окружающей среды от +30 до — 50 °С безопасное расстояние от источника пожара увеличивается на 14%, что указывает на необходимость при оценках безопасных расстояний учитывать температуру окружающей среды.

5. При оценке зоны действия избыточного давления взрыва ГВС облака

метана на дальних расстояниях обоснована необходимость учета влияния температурной инверсии на величину слабой ударной волны в условиях Севера. Под влиянием температурной инверсии происходит увеличение избыточного давления слабой ударной волны от 25 до 100 раз в зависимости от характера изменения температуры с высотой, что

приводит к увеличению дальности действия ударной волны и отдалению от источника взрыва безопасного расстояния.

6. Установлено, что вероятность появления опасных метеоусловий (инверсии со штилем) в зимний период может увеличиваться более чем на порядок (в 13 раз) по сравнению с летним периодом, что увеличивает и вероятность образования взрывоопасной ГВС облака метана в открытой местности или взрывоопасной паровоздушной смеси снаружи резервуара.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих научных трудах:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ:

1. Махутов, H.A. Возможные сценарии аварийных ситуаций на резервуарах и трубопроводах при низких температурах эксплуатации / H.A. Махутов, А.М. Большаков, М.И. Захарова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2015. - Т. 81. - №3. - С. 49 - 53.

2. Захарова, М.И. Анализ риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера / Захарова М.И. // Безопасность труда в промышленности. -2015,- №2,- С. 54-64.

3. Большаков, A.M. Анализ пожарного риска при взрыве на резервуарных парках в условиях Севера / A.M. Большаков, М.И. Захарова // Проблемы анализа риска. -2014.-Т. 11. - № 3. - С. 6-15.

4. Большаков, A.M. Научно-технические основы риск-анализа объектов нефтехимии в арктической зоне / A.M. Большаков, М.И. Захарова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2014. - № 6. - С. 36 — 39.

5. Большаков, A.M. Анализ риска аварий на резервуарах при низких температурах эксплуатации / A.M. Большаков, М.И. Захарова // Безопасность жизнедеятельности. - 2014. - № 2. - С. 36 - 42.

6. Большаков, A.M. Определение возможных сценариев возникновения, развития и вероятности реализации аварийных ситуаций на резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов при низких температурах эксплуатации /

A.M. Большаков, М.И. Захарова // Проблемы анализа риска. - 2012. - Т. 9. - № З.-С. 22-33.

в других изданиях:

7. Bolshakov, A.M. Scientific and Technical Bases of Risk Analysis for Petrochemistry Objects in the Arctic Zone / A.M. Bolshakov, M.I. Zakharova // Chemical and Petroleum Engineering. - 2014. - Vol. 50. Issue 5-6. - P. 396 - 401.

8. Махутов, H.A. Особенности возникновения чрезвычайных ситуаций в Арктической зоне России и пути их парирования на основе концепции риска / Н.А. Махутов, М.М. Гаденин, М.П. Лебедев, A.M. Большаков, А.П. Аммосов, А.С. Сыромятникова, М.И. Захарова, П.П. Пермяков, Ю.С. Глязнецова, О.Н. Чалая, С.Х. Лифшиц, И.Н. Зуева // Арктика: экология и экономика. - 2014, - № 1(13).-С. 10-29.

9. Aleksander Bolshakov Definition of possible scenarios of occurence, development and realization probability of emergencies on dangerous industrial objects at low temperatures of exploitation // Aleksander Bolshakov, Marina Zakharova // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies: Published by Info Invest Bulgaria. - 2012. - Vol. 6, - Part 3, - P. 4-16.

Ю.Большаков, A.M. Анализ риска аварии при взрыве внутри резервуара в условиях низких климатических температур / А.М. Большаков, М.И. Захарова // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: сб. ст. по материалам V Междунар. науч.-практ. конф., в 2-х ч. / ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России. -Воронеж. - 2014. - 4.1 - С. 101 - 105.

П.Большаков, A.M. Основные моменты процесса анализа риска, как элемента системы управления промышленной безопасностью / A.M. Большаков, М.И. Захарова // Тезисы докладов 2-й Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение». - Москва. -2014. - С. 24.

12. Большаков, A.M. Риск-анализ конструкций потенциально опасных объектов при низких температурах эксплуатации / A.M. Большаков, М.И. Захарова // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности

материалов и машин для регионов холодного климата: Секция 3. Технологии прогнозирования риска и моделирования ЧС природного и техногенного характера и аварийных ситуаций технических систем. - Якутск. - 2013. - С. 410.

13.Bolshakov, A.M. The Statistical Analysis of Emergence Reasons and Development of Accidents on the Dangerous Objects Working at Low Temperatures by Method of FT and ET / A.M. Bolshakov, M.I. Zakharova // Advances in fatigue and fracture: Proceedings of The 13-th conference New Trends in Fatigue and Fracture, Mechanical Engineering Research Institute. - Moscow. - 2013. - P.P. 5057.

14. Захарова, М.И. Идентификация опасностей на газопроводах, работающих в условиях низких температур / Большаков A.M., Захарова М.И. // Труды Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение». - Москва. - 2012 г. - Т. 1. - С. 101-110.

15. Большаков, A.M. Идентификация опасностей на опасных промышленных объектах, работающих в условиях низких температур / A.M. Большаков, М.И. Захарова // Труды IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем», в 2 т. - Красноярск - 2012. -Т. 2. - С. 24-28.

16. Захарова, М.И. Идентификация опасностей на резервуарах, работающих в условиях низких температур / М.И. Захарова, A.M. Большаков // Материалы Всероссийской научно - практической конференции «Сварка и безопасность», в 2 т.-Якутск.-2012.-Т. 1.-С. 190-197.

Подписано в печать 11.08.15. Формат 60x84/16. Гаршпура «Тайме». Печать офсетная. Печ. л. 1,75. Уч.-иэд. л. 2,1. Тираж 120 экз. Заказ № 190 Издательский дом Северо-Восточного федерального университета, 677891, г. Якутск, ул. Петровского, 5.

Отпечатано в типографии ИД СВФУ