Оценка риска при квазимгновенном разрушении резервуара вертикального стального (РВС). оценка и анализ рисков. Проектирования, сооружения и эксплуатации систем

• Название: Проектирования, сооружения и эксплуатации систем
• Анкор: Оценка риска при квазимгновенном разрушении резервуара вертикального стального (РВС
• Дата: 16.04.2023
• Размер: 0.56 Mb.
• Имя файла: оценка и анализ рисков.docx
• Тип: Документы; #1064932

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

Факультет	проектирования, сооружения и эксплуатации систем
	трубопроводного транспорта
Кафедра	промышленной безопасности и охраны окружающей среды

Оценка комиссии:				Рейтинг:
Подписи членов комиссии:
(подпись)			(фамилия, имя, отчество)
(подпись)			(фамилия, имя, отчество)
(дата)

РЕФЕРАТ

по дисциплине	Оценка и анализ
рисков

на тему	Оценка риска при квазимгновенном разрушении резервуара
вертикального стального (РВС)

«К ЗАЩИТЕ»		ВЫПОЛНИЛ:
		Студент группы
			(номер группы)
доцент Фомина Е.С.
(должность, ученая степень; фамилия, и.о.)		(фамилия, имя, отчество)
(подпись)		(подпись)
(дата)		(дата)

Москва, 20

23

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1. Статистические данные о квазимгновенных разрушениях РВС 3

2. Особенности квазимгновенной разгерметизации резервуарного оборудования 11

3. Последствия квазимгновенных разрушений РВС 13

Заключение 17

Источники 19

ВВЕДЕНИЕ

Предприятия, относящиеся к газо-нефтепереработке, являются одними из наиболее опасных производственных объектов промышленности. На этих предприятиях получают, используют, перерабатывают, хранят, транспортируют взрывопожароопасные вещества. Предприятия, в технологических процессах которых обращается большое количество опасных веществ, не могут быть полностью защищены от возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросами токсических веществ, взрывами или сгоранием паровых облаков. Аварии на резервуарах и газопроводах могут привести к катастрофическим последствиям. Чрезвычайные случаи на этих предприятиях способны нанести большой экономический ущерб. Аварии на объектах газо-нефтепереработки, которые сопровождаются взрывными превращениями, приводят к наиболее тяжелым последствиями для обслуживающего персонала, технологических сооружений и оборудования. Поэтому для оценки последствий чрезвычайных ситуаций при реальной опасности, должны быть произведены расчеты зон поражения персонала и ущерб для предприятия при различных сценариях аварии.
Анализируя причины, которые способны привести к возникновению и развитию аварий на опасных производственных объектах, можно разделить на следующие проблемы - критический износ основных производственных фондов и влияние человеческого фактора. По оценкам Госгортехнадзора России, основной парк отработавшего ресурс оборудования в газовой промышленности достигает 70 %. По оценкам российских специалистов, 80 % процентов техногенных аварий происходят из-за недобросовестной работы сотрудников предприятий. Другими словами, главная причина аварий – человеческий фактор.

1. Статистические данные о квазимгновенных разрушениях РВС

Основным источником информации о пожарах и авариях в резервуарных парках объектов ТЭК страны служил статистический листок, поступающий в централизованную систему сбора информации о пожарах во ВНИИПО МЧС России. При сборе информации использовались также информационные письма департаментов МЧС России, ведомственные обзоры данных о пожарах и авариях, заключения экспертных комиссий по расследованию аварий и пожаров в резервуарных парках, опубликованные в печати статьи, монографии, а также личные базы данных специалистов, занимающихся указанной проблемой.
При сборе данных о каждом пожаре или аварии в специально разработанную карточку заносились основные и дополнительные сведения, необходимые для исследования (дата и место аварии, название объекта, принадлежность к отрасли, характеристика резервуара, вид хранимой жидкости, уровень заполнения резервуара на момент аварии, характеристика производственной площадки, уклон местности, расположение объекта в ситуационном плане, причина разрушения, площадь разлива, вид и характеристика защитного ограждения, последствия аварии и др.).
Собранный банк данных представляет собой частную выборку из генерального статистического массива произошедших и зарегистрированных случаев полных разрушений РВС (150 инцидентов) на объектах ТЭК СССР, СНГ и РФ за период с 1951 по 2010 гг. (рис. 1.).
Собрать полную информацию обо всех происшедших на территории бывшего СССР и СНГ авариях, связанных с полным разрушением РВС и тем более с детальным изложением обстоятельств, приведших к их разрушению, не представляется возможным. В частности, это обусловлено нежеланием компаний и организаций придавать широкой огласке аварийные ситуации, которые не сопровождались крупными пожарами, не приводили к травмам и гибели людей, а также следствием которых не было причинение значительного ущерба природной среде или третьим лицам. К числу закрытой информации относятся также инциденты на объектах оборонного ведомства.



Рис. 1. Распределение квазимгновенных разрушений РВС по годам

В связи с этим анализируемая выборка, хотя и является репрезентативной, но не может быть исчерпывающей как по учету количества разрушений РВС, так и по полноте исходной информации. В тоже время в собранном массиве данных представлены все известные аварии, связанные с пожарами, человеческими жертвами, значительным материальным и/или экологическим ущербом, то есть при которых потенциал опасности разлива нефти и нефтепродуктов при авариях РВС проявился в полной мере.
Основными предпосылками возникновения квазимгновенных разрушений РВС являются: большой процент износа эксплуатируемых в настоящее время РВС, неравномерные просадки оснований, сложный характер нагружения конструкции, отсутствие достаточного контроля сплошности сварных соединений в зоне уторного шва, отступления от проектов, нарушения режимов эксплуатации, коррозия металла и др. [93–98].
Анализ причин разрушений РВС (рис. 1.2) показал, что в абсолютном большинстве они являются следствием дефектов сварных соединений в сочетании с применением некачественной листовой стали с пониженными механическими свойствами.



Рис. 1.2. Распределение причин разрушений РВС: 1 – хрупкое разрушение металла; 2 – дефекты сварочно-монтажных работ; 3 – неравномерная осадка основания РВС; 4 – воздействие высоких температур на пожаре; 5 – землетрясение; 6 – коррозионный износ; 7 – диверсионный акт; 8 – внешнее воздействие взрывной волны; 9 – внешнее механическое воздействие; 10 – взрыв внутри РВС от самовозгорания пирофорных отложений; 11 – взрыв внутри РВС от статического электричества (при замере уровня жидкости); 12 – взрыв внутри РВС при производстве сварочных работ; 13 – упущения и просчеты при проектировании, строительстве, монтаже и др.; 14 – взрыв внутри РВС от удара молнии; 15 – взрыв внутри РВС при распространении огня по газоуравнительной системе

При этом чаще всего хрупкие трещины, приводящие к разрушению резервуаров, возникали в дефектах сварочных швов, выполненных при монтаже. Данное обстоятельство обусловлено склонностью некоторых марок стали к хрупкому разрушению при низких температурах. Отметим, что в прежние годы для изготовления резервуаров широко использовали кипящую мартеновскую сталь, которая, как известно, обладала повышенной склонностью к хрупкому разрушению даже при температуре –15 °С. При температуре около –30 °С ударная вязкость такой стали резко падает и при –40 °С составляет лишь около 7 % от начального значения. Исключение кипящей стали как материала для изготовления резервуаров и вывод из эксплуатации большого количества ранее построенных из этой стали емкостей существенно снизили аварийность резервуаров по этой причине.
Однако, как показала практика, и высококачественная сталь оказывается неустойчивой к низким температурам. Примером тому может служить разрушение резервуара при температуре –40 °С в резервуарном парке цеха переработки газового конденсата в г. Дудинка.

Рассмотренные обстоятельства позволяют считать, что и сегодня вопрос обеспечения надежности резервуарных конструкций остается нерешенным. То есть признать как факт, что несмотря на определенный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в области резервуаростроения, возможность разрушений РВС сохраняется, что и подтверждает статистика аварий.
Следует также отметить, что в последние два десятилетия, наряду с известными причинами, проявились угрозы современной реальности – инфраструктурный терроризм. Любые структуры резервуарных парков могут стать поводом для возможного террористического шантажа или акта.
Причем эта опасность актуальна не только с точки зрения террора, но и с ведением нечестной конкурентной борьбы.
Специфика проблемы в данном случае связана прежде всего с тем, что резервуары несут в себе повышенную опасность как для самого объекта, так и для окружающей территории, вследствие хранения в них большого количества взрывопожароопасных и токсичных веществ.
Единичная емкость резервуаров и резервуарных парков непрерывно растет и все большим становится энергетический потенциал объекта и следовательно угроза, риск и последствия возможного осуществления техногенного теракта. Наиболее остро эта проблема была освещена после известных трагических событий 11 сентября 2001 г. в США, когда заговорили о недостаточной прочности и коллапсе городских сооружений при свершении террористических актов. В этой связи важно отметить, что в настоящее время в городах и населенных пунктах нашей страны находится более 350 крупных нефтехранилищ и тысячи складов горючесмазочных материалов промышленных предприятий, при этом имели место случаи подрыва резервуаров с нефтью на территории населенных пунктов в Чечне и Ставропольском крае.
Важно также указать, что в последние годы нефтехранилища все чаще становятся мишенью в военных конфликтах. Так, например, в июле 2006 г. в результате бомбардировки израильскими ВВС хранилищ топлива электростанции в г. Джие (Ливан) из разрушенных резервуаров в Средиземное море вылилось более 35 тыс. т нефти, которое распространилось по побережью на 80 км, вызвав экологическую катастрофу. Таким образом, рассмотренные обстоятельства указывают на необходимость повышения эффективности антитеррористической защиты нефтехранилищ.
Продолжая анализ, отметим, что механизм разрушений РВС достаточно сложный и не является пристальным предметом рассмотрения в настоящей работе. В тоже время из материалов экспертиз аварий следует, что раскрытие РВС происходило в основном вследствие разрушения наиболее нагруженного конструктивного элемента – узла сопряжения стенки с днищем резервуара. При этом стенка РВС разрушалась на всю высоту и за счет больших радиальных усилий, связанных с давлением жидкости при ее истечении из РВС, отрывалась от днища, а ее края разворачивались на 120–180°. Стенка резервуара с силой отбрасывалась с фундамента в сторону, противоположную направлению истечения жидкости, а крыша РВС обрушивалась на днище.
На рис. 3–5 приведены результаты анализа статистических данных квазимгновенных разрушений резервуаров.



Рис. 3. Распределение разрушившихся РВС по объектам ТЭК



Рис. 4. Распределение разрушившихся РВС по номинальной емкости



Рис. 5. Распределение разрушившихся РВС по видам находившихся в них продуктов

Примерно половина всех аварий, связанных с разрушением резервуаров, квалифицировались как крупные или катастрофические, 32 из которых привели к гибели 126 человек. Одна из первых таких аварий, унесшая жизни 41 человека, произошла в марте 1960 г. на «Каменской» нефтебазе в Ростовской области. Вследствие переполнения бензином резервуара типа РВС-700 м3 произошло его полное разрушение по вертикальному сварному шву. Следует отметить, что резервуар был построен на отдельной площадке и вокруг него, по проекту, не предусматривалось устройство обвалования.
Образовавшаяся горящая волна вышла за пределы территории нефтебазы и по уклону в сторону р. Северный Донец достигла жилых домов, при этом горящий на поверхности реки бензин достиг противоположного берега и поджег пристань и лодки. Общая площадь пожара разлива превышала 10000 м2.

2. Особенности квазимгновенной разгерметизации резервуарного оборудования

Основная опасность резервуарных парков, приводящая к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом и гибелью людей, связана с возможностью полного разрушения резервуара и формированием гидродинамической волны. Нередко такие аварии приводили к чрезвычайным ситуациям, сопровождавшимся травмами и гибелью людей, значительным материальным потерям и нанесением большого ущерба окружающей среде. Процесс разрушения резервуара и распространения жидкости чрезвычайно быстрый. При разрушении РВС, стенка РВС в основном разрушалась на всю высоту и за счет больших радиальных усилий, связанных с давлением жидкости при ее истечении из резервуара, отрывалась от днища, а ее края разворачивались на 120... 180 град. Стенка резервуара с силой отбрасывалась с фундамента в сторону, противоположную направлению истечения жидкости, а крыша РВС обрушивалась на днище.
При квазимгновенном раскрытии стенки резервуара нарушается первоначальное состояние хранящейся в нем жидкости, то есть изменяются во времени параметры движения в отдельных точках пространства, занятого движущейся жидкостью, вследствие чего возникает ее неустановившееся движение в открытом русле. Изменение параметров движения жидкости, в свою очередь, является возмущением, вызывающим перемещение вниз по течению волны прорыва. Вследствие резкого изменения глубины потока на сравнительно коротком расстоянии (рассматривается расстояние от стенки резервуара до защитного ограждения) движение жидкости будет быстро изменяющимся, а волна прорыва - соответственно, прорывной волной.
Наиболее опасным фактором гидродинамического растекания является практически мгновенный перенос жидкости и других опасных факторов на большие расстояния. Возможность человека покинуть опасную зону до прихода в рассматриваемую точку гидродинамической волны будет зависеть от времени добегания до данной точки жидкости, адекватности действий человека в сложившейся ситуации и скорости его передвижения. В литературе приведен принцип оценки времени растекания жидкости при полной квазимгновенной разгерметизации резервуара и получены следующие зависимости:



Рис. 6. Характер изменения времени и скорости добегания гидродинамической волны прорыва жидкости до рассматриваемой точки

Процесс разлива можно условно разделить на две стадии:

• 
  разлив под действием гравитационных сил и собственного веса жидкости;
  
• 
  растекание жидкости под действием сил поверхностного натяжения и уклона местности.
  

Первая стадия характеризуется скоротечностью процесса и быстрым переносом жидкости на большие расстояния. Вторая стадия в зависимости от уклона местности является вялотекущей, но именно во второй стадии разлив достигает своей максимальной площади. Основным фактором, влияющим на площадь растекания жидкости во второй стадии, являются свойства подстилающей поверхности и испаряемость жидкости.
Масштабы последствий при разгерметизации резервуаров могут варьироваться в широких пределах и зависят от следующих взаимосвязанных факторов:

• 
  физико-химических свойств опасных веществ;
  
• 
  количества опасного вещества, попавшего в окружающую среду;
  
• 
  характеристик местности, где произошел разлив (рельеф, характер шероховатости подстилающей поверхности, наличие застройки и т.п.).
  

3. Последствия квазимгновенных разрушений РВС

Почти все разрушения РВС произошли в резервуарных парках, имеющих земляное обвалование или ограждающие стены из негорючих материалов. Анализ последствий разрушений РВС убедительно свидетельствует, что такие преграды во всех случаях не выполнили своего функционального назначения. Характер взаимодействия волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, с защитной стеной, выполненной из бетона, кирпичной или каменной кладки, а также с земляным обвалованием таков, что в 46,7 % случаев аварий поток разрушал стену или размывал обвалование, выходя за пределы территории объекта, что приводило к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом, при этом в 8 случаях отмечено нанесение значительного вреда водным объектам. В 35,3 % случаев разрушений РВС поток продукта промывал земляные дамбы или перехлестывал через них, не разливаясь за пределы территории производственного объекта. Как правило, такие гидродинамические аварии происходили при разрушении резервуаров небольших объемов (до 2000 м3) или при частичном (до 2/3 высоты) заполнении РВС больших объемов.
Остальные 18 % случаев приходятся на разлив продукта в каре защитного обвалования, при небольшом уровне заполнения (менее 1/5 высоты) РВС, разрушившихся, как правило, от взрыва паровоздушной смеси вследствие самовозгорания пирофорных отложений, проявления разрядов статического электричества при отборе проб или замере уровня, появления фрикционных искр при проведении ремонтных работ и нарушении правил пожарной безопасности.
От воздействия волны прорыва и движущихся конструкций РВС было полностью разрушено 44 и повреждено 86 соседних резервуара различной вместимости. В 33,3 % случаев аварий РВС наблюдались сильные повреждения зданий, сооружений, технологических трубопроводов, как на территории производственных объектов, так и за их пределами. Наиболее серьезные негативные последствия отмечены при авариях на нефтебазах, расположенных непосредственно в черте плотной застройки населенных пунктов. В 14 % случаев аварий возникали чрезвычайные ситуации, при которых производилась эвакуация населения с привлечением значительного количества личного состава пожарной охраны, специальной и другой техники (рис.7).
Также необходимо отметить, что из немногочисленных случаев разрушений РВС по причине противоправных действий людей, в техническом отношении, следует сделать вывод о том, что в таких случаях роль надежности конструкции резервуаров и их устойчивости резко ослабевает, а решающее значение приобретает превентивная система защиты от аварийного разлива и проникновения физических лиц на объект.



Рис. 7. Последствия квазимгновенных разрушений РВС

Так, в 2004 г. на Ставрополье, в резервуарном парке нефтепромыслов одной из нефтедобывающих компаний был осуществлен террористический акт с подрывом резервуара типа РВС-2000 м3. Вследствие полного разрушения резервуара, образовавшийся поток водно-нефтяной эмульсии перехлестнул через земляное обвалование парка и растекся по территории объекта на площади более 2500 м2. В зоне пожара оказались 6 соседних резервуаров, заполненных нефтью. Пожар разлива угрожал рядом расположенным зданиям насосной, котельной, установке сепарации и административно-бытовому блоку. Только благодаря оперативным действиям пожарных подразделений пожар удалось локализовать и не допустить каскадного его развития.
Отличительной особенностью разрушения крупногабаритного РВС (вместимостью 10000 м3 и более) является не только уничтожение земляного обвалования или железобетонной ограждающей стены, но и отмеченное в каждом втором случае полное разрушение или сильная деформация соседних резервуаров, повреждения зданий, сооружений и технологических установок, что приводило к значительному экономическому ущербу. При этом поток жидкости практически всегда выходил далеко за территорию предприятия, создавая угрозу соседним объектам и приводя к загрязнению окружающей природной среды. По статистике общий материальный ущерб от таких аварий резервуаров превышал в 500 и более раз первичные затраты на их сооружение.
Статистика разрушений РВС свидетельствует, что несмотря на определенный прогресс, достигнутый в последние годы в резервуаростроении, гидродинамические аварии в резервуарных парках продолжают иметь место. В связи с этим есть основания считать, что вопросы обеспечения конструктивной надежности резервуаров остаются не решенными. Кроме того, нормативные защитные сооружения не способны удержать продукт в пределах защищаемой территории при разрушении РВС. Поэтому при наличии крупных резервуаров на нефтебазах и терминалах, расположенных в населенных пунктах, морских и речных портах, около объектов федерального значения, возникает острая необходимость в разработке мер защиты населения и территорий от разлива нефти и нефтепродуктов в случае разрушения РВС.
Таким образом, проведенный анализ квазимгновенных разрушений вертикальных стальных резервуаров показал, что:

• 
  проблема обеспечения пожарной, промышленной и экологической безопасности при эксплуатации резервуарных парков остается не решенной и подтверждает необходимость рассматривать волну прорыва, образующуюся при квазимгновенном разрушении РВС, в качестве опасного фактора аварийной ситуации при оценке пожарных рисков на производственных объектах;
  
• 
  расчет защитного сооружения от разлива нефти и нефтепродуктов должен производиться с учетом гидродинамической нагрузки от волны прорыва, образующейся при аварии РВС, с целью минимизации возможных трагических последствий;
  
• 
  конструкция ограждения резервуара или резервуарного парка должна обеспечивать удержание волны прорыва в пределах защищаемой территории, то есть в пределах ограждения;
  
• 
  в случае невозможности обустройства ограждения специальной конструкции, рассчитанной на удержание волны прорыва, например, ограждающей стены с волноотражающим козырьком, за нормативным обвалованием на наиболее опасных (ответственных) направлениях необходимо устраивать дополнительные защитные преграды (рвы, канавы, амбары, повышенные участки дорог и т. п.), служащие для удержание волны, сбора разлившегося продукта и отвода его в безопасную зону.
  

Заключение

Основной направленностью современных подходов к обеспечению пожарной безопасности, базирующихся на концепции «приемлемого риска», является снижение вероятности гибели людей. Это предполагает выполнение комплекса работ, связанных с анализом риска возможных аварий, при этом вопрос научной обоснованности и адекватности расчетных методик является одним из ключевых в обеспечении безопасности людей. Отсутствие или пренебрежение научными основами приводит, с одной стороны, к экономически неоправданным затратам на обеспечение пожарной безопасности, с другой – к серьезным упущениям в отношении реальной опасности аварийной ситуации на объекте.
Несмотря на повышенное внимание исследователей к данной проблеме и достаточно большое количество как отечественных, так и зарубежных работ, посвященных анализу риска на объектах нефтегазового комплекса, некоторые важные с практической точки зрения закономерности, характеризующие пожарную опасность полного разрушения технологического оборудования, выявлены в научном плане недостаточно.
И, как следствие, отсутствуют методы оценки опасных факторов, динамики развития и прогноза последствий аварийной ситуации, связанной с квазимгновенным разрушением вертикального стального резервуара с нефтью или нефтепродуктом (далее РВС или нефтяной резервуар).
Отличительными признаками такой аварии являются полная потеря целостности корпуса РВС и выход в течение короткого промежутка времени (не более 10–15 с) на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре жидкости в виде мощного потока – волны прорыва. При этом волна характеризуется резкой нестационарностью, наличием фронта в виде бора (вала), движущегося со значительной скоростью и обладающего большой разрушительной силой.
В этой связи следует отметить, что к основным сооружениям по ограничению аварийного разлива жидкостей в резервуарных парках на протяжении последних ста лет относятся земляные обвалования или ограждающие стены, расчет которых производится только на гидростатическое удержание пролитой жидкости.

Источники

1. Горячев С.А., Горячева М.Н., Швырков С.А., Воробьев В.В. Оценка рисков в резервуарном парке при квазимгновенном разрушении стального вертикального резервуара // Транспорт и хранение нефтепродуктов. – 2005. – Вып. 7. – С. 7-8.
2. Швырков С.А., Горячев С.А., Швырков А.Н., Прохоров Ю.П., Воробьев В.В., Батманов С.В. Прогнозирование площади разлива нефтепродукта при квазимгновенном разрушении резервуара // Транспорт и хранение нефтепродуктов. – 2005. – Вып. 7. – С. 8-12.
3. Швырков С.А., Горячев С.А., Швырков А.Н., Батманов С.В., Воробьев В.В. Прогнозирование площади пожара разлива жидкости при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара. Пожарная и аварийная безопасность объектов: Материалы II Международной науч.-практ. конф. – Иваново: Ивановский институт государственной противопожарной службы, 2006. С. 85-88.
4. Швырков С.А., Горячев С.А., Сорокоумов В.П., Батманов С.В., Воробьев В.В., Статистика квазимгновенных разрушений резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность. – 2007. – том 16. № 6. – С. 48-52.
5. Воробьев В.В., Горячев С.А., Швырков С.А. Определение параметров дополнительных защитных преград, предназначенных для ограничения разлива нефтепродукта при внезапном разрушении РВС // Охрана окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2008. № 4. – С. 8-10.
6. Воробьев В.В. Применение дополнительных защитных преград для ограничения разлива нефтепродукта при квазимгновенном разрушении РВС. Актуальные проблемы пожарной безопасности. Материалы международной науч.-практ. конф; ч. 1. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. С. 248-251. 7. Воробьев В.В. Экспериментальные исследования дополнительных защитных преград для ограничения разлива нефтепродуктов при внезапных разрушениях резервуаров // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». – 2008. – №2. – http://ipb.mos.ru/ ttb