CC BY
13Швырков С. А., Горячева М. Н., Воробьёв В. В., Петров А. П.
ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЧАСТОТЫ РАЗРУШЕНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОГО РИСКА НА ОБЪЕКТАХ ТЭК
Представлены сведения по частотам разрушений вертикальных стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов при нормальном режиме их эксплуатации и при гидравлических испытаниях, необходимые для оценки пожарного риска в резервуарных парках объектов топливно-энергетического комплекса.
Ключевые слова: резервуар, разрушение, частота, риск.
Shvyrkov S., Goryacheva M., Vorobjov V., Petrov A.
A DIFFERENTIATED APPROACH TO THE DEFINITION OF DESTRUCTION TANK FREQUENCY FOR FIRE RISK ASSESSMENT ON OBJECTS OF FUEL AND ENERGY COMPLEX
The article provides information on frequency destruction of vertical steel tanks for oil and oil products in normal operation and in the hydraulic tests necessary to assess fire risk in tank farms facilities of the fuel and energy complex.
Keywords: tank, destruction, frequency, risk.
К одному из принципиальных вопросов при оценке пожарного риска следует отнести наличие и достоверность сведений по частотам реализации инициирующих пожароопасные ситуации событий при разгерметизации различных типов технологического оборудования.
В таблице П1.1 приложения 1 к «Методике определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах» [1] приведена величина частоты полного разрушения вертикального стального резервуара (РВС) с последующим истечением жидкости в обвалование, равная 5,0-10-6 год1. Статистические
данные о последствиях квазимгновенных разрушений РВС с нефтью или нефтепродуктами [2] убедительно свидетельствуют о том, что нормативные обвалования и ограждения в виде стен из негорючих материалов [3], рассчитанные на гидростатическое давление разлившейся жидкости, не способны противостоять образующейся в этом случае волне прорыва. Поток жидкости при разрушении РВС движется по законам динамики, обладая большой скоростью и значительной силой, что приводит либо к его перехлёсту через нормативную преграду, либо к разрушению ограждения по направлению движения волны.
Отметим, что под термином «полное разрушение» подразумевается утечка с диаметром истечения, соответствующим максимальному диаметру подводящего либо отводящего трубопровода, или разрушение резервуара, ёмкости, сосуда или аппарата [1]. В настоящей статье рассматривается квазимгновенное разрушение РВС, под которым подразумевается авария из-за потери целостности корпуса резервуара и выхода хранящейся в нём жидкости в виде волны прорыва за короткий промежуток времени, а под волной прорыва - гидродинамический поток жидкости, образующийся при квазимгновенном разрушении РВС [2].
Таким образом, для достоверной оценки пожарного риска в резервуар-ных парках производственных объектов необходимо также иметь надёжные сведения по частотам квазимгновенных разрушений РВС, чему и посвящена настоящая статья.
В соответствии с [1] для определения частоты реализации пожароопасных ситуаций на объекте может использоваться информация:
а) об отказах оборудования, используемого на объекте;
б) о параметрах надёжности используемого на объекте оборудования;
в) об ошибочных действиях работников объекта;
г) о гидрометеорологической обстановке в районе размещения объекта;
д) о географических особенностях местности, где находится объект.
Также могут использоваться статистические данные по аварийности на исследуемом объекте (и подобных объектах) или расчётные данные по надёжности технологического оборудования [1].
Учитывая данные положения, наиболее вероятным и достоверным способом получения сведений о частоте квазимгновенных разрушений РВС является анализ данных по реально происшедшим авариям резервуаров на объектах ТЭК. Ниже представлены результаты анализа
выборки статистических данных квазимгновенных разрушений РВС за период с 1951 по 2010 годы, происшедших в ре-зервуарных парках объектов ТЭК, расположенных на территории Российской Федерации [2].
За исследуемый период из общего количества зарегистрированных аварий РВС (150 инцидентов [2]) 122 случая приходятся на квазимгновенные разрушения РВС, распределение которых по годам показано на рисунке 1.
Анализ имеющейся информации позволяет выдвинуть гипотезу о подчинении статистики разрушений РВС одному из законов распределения. Так, математической моделью процесса возникновения квазимгновенного разрушения РВС (далее событие) на объекте ТЭК может служить закон распределения количества событий в единицу времени (закон Пуассона). Данное утверждение справедливо, так как события являются случайными величинами, их количество в единицу времени (в данном случае, год) является дискретной случайной величиной, которая
2000
2010
Рисунок 1. Полигон распределения 122 случаев разрушений РВС на территории РФ за период с 1951 по 2010 годы
может принимать любые неотрицательные целые значения, а промежуток времени между смежными событиями является непрерывной случайной величиной, которая может принимать любые неотрицательные значения [4]. Математическим ожиданием (к) исследуемой дискретной случайной величины является число разрушений РВС в год (интенсивность потока событий).
Существует достаточно много аргументов, основанных на статистическом изучении реальных потоков событий, позволяющих сформулировать статистическую гипотезу о том, что во многих случаях потоки случайных событий могут с достаточной для практических целей точностью описываться стационарным пуассоновским распределением [4-6]:
= , (к = 0, 1, 2, ...),
к\
где Рк(т) - вероятность того, что за время т на объектах ТЭК возникнет к разрушений РВС.
В качестве оценки неизвестного параметра Хс по п независимым наблюдениям х1, х2, х3, ... , хп случайной величины X, имеющей пуассоновское распределение, используется средняя арифметическая:
У п.х.
= К ,
п
которая является несмещённой, состоятельной и эффективной оценкой параметра Хс [4].
На рисунке 2 представлено графическое отображение эмпирического и теоретического распределения разрушений РВС, анализ которых по критерию согласия Пирсона, позволил принять гипотезу о распределении Пуассона генеральной совокупности.
Количество разрушений РВС
Рисунок 2. Распределение разрушений РВС за период с 1951 по 2010 годы: —О— эмпирическое; теоретическое
Графическое сопоставление обоих распределений говорит о достаточной близости между эмпирическим и теоретическим распределениями. Степень расхождения теоретических и эмпирических частот, представленных в расчётной таблице, оценивали с помощью критерия «хи-квадрат» (х2) Пирсона [4]:
2 =у(",-л;)
Л/набл / ' ^ '
где п - эмпирическая частота; л, - теоретическая частота (п\ = пР ).
Из расчётной таблицы видно, что наблюдаемое значение критерия Пирсона для рассматриваемого распределения будет равно Хнабл = 3,47.
Далее, по таблице критических точек распределения х2 (прил. 5 [4]) по уровню значимости а = 0,05 и числу степеней свободы для соответствующего распределения (к = 3), найдена критическая точка правосторонней критической области:
¿(0,05; 3) = 7,8.
Так как для распределения выполняется условие 5Снабл <х1Р , то нет оснований отвергнуть гипотезу о распределении случайной величины (разрушения РВС) по закону Пуассона. Выдвинутая гипотеза подтверждена также с помощью критерия согласия Романовского [4]:
Расчётная таблица для сравнения частот с помощью критерия Пирсона
У п 1 4 (л,-л;)2 П'
0 10 7,8780 0,5716
1 18 15,9923 0,2521
2 10 16,2322 2,3928
3 12 10,9838 0,0940
4-7 10 8,8253 0,1564
2 60 - =3,4668
/? =
| Хнабл л/2*
Для реализации дифференцированного подхода к определению частоты разрушений РВС имеющиеся случаи были распределены в зависимости от режима работы резервуара на момент аварии. Такой подход представляется наиболее целесообразным, так как любой резервуар может находиться в одном из двух режимов, при которых возможно образование опасного фактора аварии - волны прорыва. К первому, основному, режиму работы РВС относится нормальный (регламентный) режим работы, когда РВС заполнен нефтью или нефтепродуктом. Другой режим эксплуатации РВС обусловлен проведением гидравлических испытаний водой. В этой связи можно отметить, что данный подход также будет и предопределять сценарии развития аварийной ситуации, связанной с разрушением РВС.
Частота разрушения РВС при нормальном (регламентом) режиме работы может быть найдена по формуле [7]:
При Я < 3 согласие между эмпирическим и теоретическим распределениями признаётся удовлетворительным, в противном случае необходим подбор другого моделирующего распределения. Для рассматриваемого распределения имеем Я = 0,19, что менее 3.
где N
разр.экспл
N
_ разр. экспл
~ N т
' *РВС ''экспл
количество разрушивших-
ся РВС при нормальном режиме эксплуатации; - количество наблюдаемых
РВС; тэкспл - время наблюдения за резервуарами при их нормальном режиме эксплуатации.
Частота разрушения РВС при гидравлических испытаниях:
N
л _ разр. гидро
гидро — Т,
I
РВС^гидро
где ^разр. гидро - количество разрушившихся РВС при гидравлических испытаниях; тгидро - время наблюдения за резервуарами при гидравлических испытаниях.
Анализ имеющейся статистической информации показал, что из 122 случаев разрушений РВС 110 произошли при нормальном режиме эксплуатации резервуаров, заполненных нефтью или нефтепродуктами, и лишь 12 - при проведении гидравлических испытаний.
Вертикальные стальные резервуары на объектах ТЭК страны в основном сосредоточены на объектах [8, 9]:
- нефтедобычи (около 7 000);
- транспортировки нефти и нефтепродуктов (нефтеперекачивающие и линейные перекачивающие диспетчерские станции - около 1 700);
- переработки нефти (нефтеперерабатывающие заводы - около 6 000);
- хранения нефти и нефтепродуктов (нефтебазы - около 21 600);
- энергетики (мазутные хозяйства теплоэлектроцентралей и государственных районных электростанций - около 1 330);
- экспорта нефти и нефтепродуктов (морские и речные припортовые терминалы - около 1 100).
Таким образом, для оценки частоты разрушений РВС на основных объектах ТЭК может быть принята осред-нённая величина общего количества РВС - 38 730 шт.
Следует отметить, что РВС также находятся в эксплуатации на «мини-НПЗ», в резервуарных парках железнодорожного и авиационного ведомств, государственного резерва и министерства обороны.
Однако информация по их количеству и тем более по авариям в открытых источниках отсутствует. Поэтому эти данные во внимание не принимались.
Общее время наблюдения за резервуарами составило 60 лет. Время наблюдения за резервуарами при гидравлических испытаниях определено из требований ГОСТ [10]. Полное техническое диагностирование РВС (с выводом из эксплуатации, очисткой и дегазацией) производят, в основном, с интервалом не более 1 0 лет. При гидравлических испытаниях резервуар, залитый водой до верхней проектной отметки, выдерживается под нагрузкой в течение:
- РВС объёмом до 10 000 м3 -4 часов;
- РВС объёмом от 10 000 м3 до 20 000 м3 - 48 часов;
- РВС объёмом свыше 20 000 м3 -72 часов.
Таким образом, средняя продолжительность гидроиспытаний составит т = 48 часов. Среднее количество про-
гидро г " г
ведённых гидроиспытаний за 60-летний период на единичном РВС будет равно 6.
Время наблюдения за РВС при проведении гидроиспытаний составит 0,033 года.
Условная вероятность проведения гидроиспытаний:
48
Р ..... = ,........ = 5,479-10-4.
гидро
(10-365-24)
Условная вероятность нахождения РВС в эксплуатации
Р = 1 - Р
гидро
= 1 - 5,479 10-4 = 0,9994521.
Тогда, с учётом приведённых выше данных, частота разрушения РВС при нормальном (регламентом) режиме эксплуатации на объектах ТЭК составит
110
38 730 (60-0,033)
= 4,736-10"5 год"1 ,
а частота разрушения РВС при гидравлических испытаниях
х = 12
гадро 38 730 0,033
= 9,38901-10^ год1 .
Полученные частоты могут быть использованы в качестве исходной информации для определения расчётных величин пожарного риска в резервуарных парках объектов ТЭК страны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Методика определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах. Прил. к приказу МЧС России от 10.07.2009 г. № 404.
2. Швырков С. А., Батманов С. В. Анализ статистических данных квазимгновенных разрушений вертикальных стальных резервуаров // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2008. - № 1(9). - С. 56-67.
3. СНиП 2.11.03-93. Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы.
4. Гмурман В. Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике: Учеб. пособие. - М., 1975.
5. Пожарные риски. Динамика, управление, прогнозирование / Под ред. Н. Н. Брушлин-ского и Ю. Н. Шебеко. - М.: ВНИИПО МЧС России, 2007.
6. Брушлинский Н. Н., Соколов С. В. Математические методы и модели управления в Государственной противопожарной службе: Учебник. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2011.
7. Метод оценки индивидуального риска для наружных технологических установок. Прил. Э ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. - М., 2002.
8. ИнфоТЭК: аналитика, документы, факты // Ежемесячный нефтегазовый бюллетень. - М., 2008, 2009, 2010.
9. Галеев В. Б. Аварии резервуаров и способы их предупреждения. - Уфа, 2004.
10. ГОСТ 31385-2008. Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия.
