CC BY
95СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНОВ
УДК502.6,502.7
С.Н. Попов1, А.И. Герасимов2, Л.Я. Морова3
1 Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, заместитель директора
677007 Россия, г. Якутск, ул. Автодорожная, 20 [email protected]
2 Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник
677007 Россия, г. Якутск, ул. Автодорожная, 20 [email protected]
3 Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник
677007 Россия, г. Якутск, ул. Автодорожная, 20 [email protected]
МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Аннотация: Представлены мобильные установки, предназначенные для ликвидации аварийных разливов нефти, отличающиеся простотой конструкции, дешевизной изготовления и эффективностью удаления нефтезагрязнений.
Ключевые слова: магистральный нефтепровод, аварийный разлив нефти, способы ликвидации аварии, охрана окружающей среды, экология, нефтесорбент, низкие температуры, ледовая обстановка.
S. N. Popov, A.I. Gerasimov, LJa. Morova
1 Institute of problems of oil and gas of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences, deputy director
677007, Yakutsk, Avtodorozhnaya St., 20 [email protected]
2 Institute of problems of oil and gas of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences, leading researcher
677007, Yakutsk, Avtodorozhnaya St., 20 [email protected]
3 Institute of problems of oil and gas of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences,
senior research associate
677007, Yakutsk, Avtodorozhnaya St., 20
MOBILE DEVICES FOR ELIMINATION OF EMERGENCY OIL SPILLS AT LOW
TEMPERATURES
Abstract: The installations intended for elimination of emergency oil spills, designs differing by simplicity, low cost and efficiency of removal of petropollution are presented.
Keywords: main oil pipeline, oil-spill, means to eliminate the accident, environmental protection, ecology, petrosorbent, low temperatures, ice conditions.
Как известно, для сбора аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, как с грунта так и с воды, применяются различные технологии и специальные технические средства [1, 7, 8]. При этом, очень важное значение приобретает оперативность реагирования на разлив нефти, поскольку нефтяное пятно со временем расползается и трансформируется, нанося вред окружающей среде. Действующим планом по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти в зоне подводных переходов через реки, принятым ООО «Востокнефтепровод», предусмотрено применение заградительных бонов для локализации и последующего сбора нефти с поверхности воды по традиционным технологиям, когда нефтесборщик оснащен электропарогенератором для подогрева и разжижжения застывшей нефти или исключения ледообразования в майнах. Однако, работоспособность оборудования при температурах ниже минус 40°С ни одним предприятием-изготовителем не изучалась. Кроме того, такой подход может быть достаточно эффективным для малых рек со скоростью течения не более 1,5 м/с. Ширина же реки Лена в районе нефтепровода составляет 1328 м, скорость течения достигает 3 м/с. В периоды ледохода и ледостава в течение практически трех месяцев установка заградительных бонов невозможна. Поэтому остановимся на сборе нефтяных разливов с использованием устройств, разработанных в Институте проблем нефти и газа СО РАН, т.к. анализ выпускаемого отечественной промышленностью оборудования показал, что для применения в зимних условиях Якутии эффективные технические и технологические решения отсутствуют.
Наиболее простой способ, предлагаемый для ликвидации аварийных разливов нефти, может использоваться при сборе нефти с открытых водоемов при низких температурах атмосферного воздуха [3]. Способ заключается в сборе нефти со специально отведенного укрытого места. Способ осуществляется следующим образом. Нефтесборник (накопитель) с открытой майной накрывается воздухонепроницаемым материалом, например полиэтиленовой пленкой, и пространство между поверхностью майны с нефтью и воздухонепроницаемым материалом продувается наружным атмосферным воздухом, например, с помощью вентилятора. Предварительно поверхность нефти на майне накрывается сетью с мелкой ячеей, изготовленной из материала с плотностью ниже плотности воды, но тяжелее всплывшей на
поверхность воды нефти. При достижении вязкости нефти, достаточной для удержания нефти, заключенной в ячеях сети, сеть вытаскивается из майны, с последующим освобождением сети от нефти путем понижения вязкости нефти, например, путем подвешивания сети с нефтью в теплом помещении для сбора нефти. При этом способе обеспечивается снижение энергозатрат, так как используется низкая температура окружающего воздуха.
В устройстве, представленном на рис. 1, используются уникальные свойства сорбирующего материала «Экосорб» [2], который по своим эксплуатационным характеристикам соответствует лучшим зарубежным образцам и представляет собой нетканое волокнистое полотно, разработанное в ОАО «Научно-исследовательский институт нетканых материалов» из полипропиленовых волокон по ТУ 8397-230-0030232701. Положительной особенностью материала является возможность 5-10-кратного использования после отжима в специальных устройствах.
Устройство предназначено для сбора нефти и нефтепродуктов из-подо льда в водоемах с проточным течением [4]. В устройстве сорбирующий материал помещен в гибкую сетчатую оболочку 2 с поплавками 4, к переднему краю оболочки прикреплена полоса материала 5 с распределенным по низу полосы грузом 6, несущая функцию водяного паруса, позволяющего догнать и поглотить унесенное течением пятно нефти с протяженных площадей с места аварийного разлива вниз по течению. При возникновении аварийной ситуации устройство, имеющее сорбирующее полотнище 3 с водяным парусом 5, через майну на месте аварийного разлива опускается под лед и расправляется. По мере расправления парус 5 под воздействием грузов 6 опускается вниз и начинает выполнять функцию водяного паруса. Скорость движения нефтяного пятна, примыкающего к нижней поверхности льда, из-за трения ниже скорости течения воды в реке. Поэтому устройство, опущенное под лед, начинает собирать разлитую нефть, как в месте аварийного разлива, так и после прохождения пятна благодаря водяному парусу может его догнать и поглотить. Скорость движения устройства подо льдом регулируется высотой полосы 5 и может быть заранее определена исходя из скорости течения водяного потока. Выемка устройства из-подо льда осуществляется крючьями, расположенными в майнах ниже по течению.
1
/
Течение 6
Рис. 1. Устройство для сбора нефти под поверхностью льда
Так как «Экосорб» характеризуется высокими плавучими свойствами - в течение продолжительного времени не тонет в воде в связи с высокими гидрофобными характеристиками, то он даже при полном насыщении сорбента водой (удельный вес полипропилена составляет 0,91-0,95 г/см3) находится в воде практически во взве-
шенном состоянии. При насыщении сорбента нефтью сорбирующее устройство гарантированно будет находиться на плаву и его дополнительное оснащение поплавочными элементами необходимо только для обеспечения расправленного состояния при воздействии турбулентного течения. Расчетная поглощающая способность предлагаемого устройства в зависимости от площади поверхности и количества слоев сорбента представлена в табл. 1.
Таблица 1
Поглощающая способность сорбирующего устройства
Площадь устройства, м2 Масса одного слоя сорбента, кг Количество слоев сорбента масса поглощаемой нефти, т
1 2 6 10
100 30 0,54 1,08 3,24 5,40
200 60 1,08 2,16 6,48 10,16
300 90 1,62 3,24 9,72 16,20
400 120 2,16 4,32 12,96 21,60
500 150 2,70 5,40 16,20 27,00
1000 300 5,40 10,80 32,4 54,00
Толщина одного слоя сорбента составляет 6 мм, поэтому толщина даже десятис-лойного сорбирующего устройства не превысит 60 мм. Минимизация поперечного сечения сорбирующего устройства в значительной мере ослабит давление потока воды и может существенно облегчить варианты стационарного закрепления и возможности управления в плавучем состоянии в летний период.
В зимнее время гибкость устройства позволит без больших технических затруднений оперативно протянуть его подо льдом при возникновении аварийной ситуации, закрепить и без особых усилий удерживать стропами до подхода нефтяного пятна. При подходе нефтяного пятна устройство может освобождаться и плыть подо льдом совместно с ним, поглощая нефть до полного насыщения.
Для извлечения устройства из-подо льда рекомендуется ниже по течению в подготовленных майнах разместить закрепленные к стропам крючья. При зацеплении устройств вытягивание их из воды необходимо осуществлять лебедками непосредственно в емкости для временного хранения нефти и нефтепродуктов. Объем предлагаемых устройства для сбора нефти в воде составляет в зависимости от площади и количества слоев сорбента (табл. 1) от 5 до 50 м3.
Предлагаемое устройство может также использоваться для локализации и сбора нефти в замкнутых водоемах.
Перемещение устройства подо льдом обеспечивается по известным способам подледного неводного лова рыбы. Для ускорения процесса возможно для протягивания строп использовать средства малой механизации, используемые и всесторонне испытанные рыбаками. Установка простого водяного паруса из плотного материала 4 с грузом 5 на предлагаемое устройство существенно повышает скорость
движения сорбирующего устройства по течению. Такая конструкция устройства позволяет сплавлять его вслед за нефтяным пятном и увеличивать продолжительность времени контакта с нефтезагрязнением.
Испытания устройства для сбора разлившейся в подледных условиях нефти проведены при толщине льда 15 см. Опытный экземпляр устройства был изготовлен прямоугольной формы размерами 1,6 х 20 м с применением одинарного слоя материала «Экосорб» площадью 32 м2 и расчетной сорбционной способностью около 170 кг нефти. К углам устройства были закреплены стропы длиной 50 м, позволяющие перемещать его в подледном пространстве площадью 2500 м2.
В связи с необходимостью обеспечения минимального загрязнения замкнутого водоема нефтью при испытаниях под лед было закачано 10 л нефти в центре.
Контрольные отверстия, пробуренные по радиальным направлениям от центра через каждый метр, показали, что закачанная нефть под поверхностью льда распределяется пятном диаметром около 5 м с расчетной толщиной 0,5 мм в течение 20 минут. В дальнейшем распространение практически прекращается.
Эффективность применения сорбирующего устройства определялась по содержанию нефти в воде.
Фоновое содержание нефти (нефтепродуктов) в водоеме, измеренное до введения загрязнения не превышало 0,07 мг/л. После закачивания нефти на дно водоема глубиной около 1 м содержание нефти определено в 259,49 мг/л. Пробы воды отбирались с глубины 0,5 м.
Операция подледного сбора нефти проводилась путем трехкратного перемещения устройства подо льдом поочередно к лункам, выполненным по углам квадрата 50 х 50 м. Затем из контрольных лунок, размещенных на расстоянии до 5 м от центра площадки, отбирались пробы воды. Содержание нефти в воде составило от 0,87 мг/л (центр) до 0,24 мг/л (5 м). На рис. 2 и 3 соответственно представлены фотографии сорбирующего устройства перед спуском под лед и в процессе выемки.
Рис. 2. Макет устройства для подледного Рис. 3. Извлечение устройства
сбора нефти перед погружением под лед для подледного сбора нефти
Таким образом, согласно результатам проведенных замеров наблюдается высокая эффективность разработанного устройства.
Следует отметить, что через неделю после проведения эксперимента, из льда в центре были выпилены образцы, а также отобраны пробы воды. При этом во льду
была выявлена тонкая прослойка вмерзшей нефти. За семь дней толщина льда увеличилась на 7 см (примерно 1 см в сутки). Выше прослойки нефти ее содержание во льду на уровне фона. В слое льда толщиной ~ 12 мм с прослойкой нефти - 3,47 мг/л, в нижнем слое толщиной около 6 мм - 3,24 мг/л. Такая же скорость ледообразования характерна и для реки Лена.
Способность нефти вмерзать в лед чрезвычайно осложняет мероприятия по локализации и сбору аварийных разливов нефти в водоемах в зимний период и должна учитываться в планах ЛАРН (ликвидации аварийных разливов нефти) в части сроков проведения мероприятий по локализации и сбору нефти в подледных условиях.
Следующее устройство (рис. 4) позволяет достичь поставленной цели за счет того, что в зимнее время при возникновении аварийной ситуации «точечно», то есть конкретно над местом утечки во льду вырезается отверстие с диаметром больше диаметра устройства в сложенном состоянии [5]. Место аварийного прокола нефтепровода указывает робот-оповеститель, задача которого - постоянный контроль безопасной работы нефтепровода. На рис. 4 приведен общий вид устройства, состоящего из полой штанги 3, мембраны 6 с распорками 13, рукава 7, насоса 8, накопительной емкости 9, грузов 10 и троса 14.
Устройство через отверстие при помощи троса погружается под лед. Под действием грузов распорки принимают горизонтальное положение, мембрана расправляется и покрывает место возникновения утечки нефти. Поскольку диаметр верхнего фланца выполняется больше диаметра нижнего, распорки находятся в наклонном положении, что обеспечивает расправление мембраны. Вытекающая нефть накапливается под мембраной, по отверстиям, выполненным в штанге, поступает в рукав и перекачивается насосом в накопительную емкость. Сбор нефти и нефтепродуктов осуществляется следующим образом: по сигналу робота-оповестителя, контролирующего состояние нефтепровода 1, проложенного под дном реки, на место утечки нефти 2, опускается устройство, содержащее полую штангу 3, в верхней, части которой, под фланцем 4, выполнены нефтезаборные отверстия 5. К верхнему фланцу штанги 4 герметично прикреплены внутренний периметр мембраны 6, изготовленной из водо- и нефтенепроницаемого материала и гибкий армированный гофрированный рукав 7 из аналогичного материала, соединенный насосом 8 с накопительной емкостью 9. По внешнему периметру мембраны равномерно распределяются грузы 10 прижимающие ее кромку ко дну водоема. К нижнему фланцу 11 посредством шарниров 12 прикрепляются распорки 13, соединяемые с внешней кромкой мембраны. Для опускания устройства и выемки его из воды к верхнему фланцу прикрепляется трос 14.
Для транспортировки и погружения под лед устройство складывается по аналогии с зонтом.
Использование устройства позволяет сократить время на устранение аварийного разлива нефти, так как устройство - компактно, имеет небольшие размеры и малый вес, транспортировка его на место аварии занимает мало времени, кроме того ускоряется монтаж за счет сокращения ледорезных работ.
Рис. 4. Устройство для сбора нефти подо льдом
На рис. 5 представлено портативное устройство для сбора техногенной воды, с использованием которого можно за один этап быстро и качественно собрать нефтепродукты с поверхности земли или воды с одновременным отделением воды от нефтепродуктов [6]. На загрязненный нефтепродуктами участок устанавливают устройство с нефтефильным гидрофобным многослойным сорбирующим фильтром из термопластичного материала, в котором сорбируется нефть. Вода благодаря гидрофобным свойствам сорбента проходит через фильтр и поступает в отдельный накопитель. Устройство состоит из нефтефильного гидрофобного многослойного сорбирующего (фильтрующего) элемента 2 представляющего собой многослойную пластину, расположенную на металлической сетке 3, отсасывающей насадки 5 с патрубком 7, корпуса 4; полости 6; накопителя 8 с входящим и выходящим патрубками 9, вакуумного насоса (или пылесоса); поплавка 10. Особенностью устройства является то, что между элементом 2, закрепленным на металлической сетке 3, и верхней частью корпуса 4 остается незаполненное пространство, в котором при работе насоса создается давление ниже атмосферного. Кроме того, жестко закрепленная в корпусе металлическая сетка 3 не дает сорбирующему элементу «западать» в отверстие отсасывающей насадки 5. Фильтр может быть выполнен из любого нефтефильного гидрофобного сорбирующего термопластичного материала, например, из материала «Экосорб» (ТУ 8397-230-00302327-01). Устройство работает следующим образом: на загрязненную нефтепродуктами водную поверхность 1 устанавливается устройство с нефтефильным гидрофобным многослойным сорбирующим элементом 2, соединенное с насосом (пылесосом) посредством отсасывающей насадки 5 через накопитель 8. При включении насоса происходит интенсификация притока смеси воды и нефтепродуктов в сорбент. Вода проходит через сорбент и поступает в накопитель 7.
После насыщения сорбента нефтью насос отключается, сорбент отжимается и может затем использоваться многократно.
Использование устройства позволяет сократить затраты на очистку техногенных вод от нефтепродуктов за счет исключения дополнительной операции по разделению фракций воды и нефтепродуктов.
Все приведенные устройства отличает простота конструкции, компактность и способность качественно очищать большие объемы воды без частой замены фильтрующего сорбирующего элемента.
Литература
1. Воробьев, Ю.Л., Акимов, В.А., Соколов, Ю.И. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. - М. : Ин-октаво, 2005. - 368 с.
2. Мерициди, И.А., Шлапаков, А.В. Критерии выбора нефтяного сорбента для локализации аварийных разливов нефти на поверхности водоемов / И.А. Мерициди, А.В. Шлапаков // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2007. - № 4. -
3. Попов, С.Н., Герасимов, А.И. Способ сбора нефти с открытых водоемов. Патент РФ № 2416001 от 10.04.2011 г.
4. Попов, С.Н., Герасимов, А.И., Морова, Л.Я., Ефимов, С.Е. Устройство для сбора нефти под поверхностью льда. Патент РФ № 2435902 от 10.12.2011.
5. Попов, С.Н., Герасимов, А.И., Морова, Л.Я. Устройство для сбора нефти подо льдом. Заявка на изобретение № 2013131323 от 08.07.2013 г.
6. Попов, С.Н., Герасимов, А.И., Морова, Л.Я., Ефимов, С.Е., Устройство для очистки техногенных вод от нефтепродуктов. Патент РФ № 136452 от 10.01.2014 г.
7. РД 153-39.4-074-01 «Инструкция по ликвидации аварий и повреждений на подводных переходах магистральных нефтепроводов» (введена Минэнерго РФ от 06.06.2001 г. № 166).
8. Руководство по ликвидации разливов нефти на морях, реках и озерах. - СПб. : ЗАО «ЦНИИМФ», 2002. - 344 с.
References
1. Vorob'ev, Ju.L., Akimov, V.A., Sokolov, Ju.I. Prevention and elimination of emergency oil spills and oil products. - M. : Ying-oktavo, 2005. - 368 p.
пылесосу
Рис. 5. Устройство для очистки техногенных вод от нефтепродуктов
C. 52-57.
2. Mericidi, I.A., Shlapakov, A.V. Criteria of a choice of an oil sorbent for localization of emergency oil spills on a surface of reservoirs / I.A. Mericidi, A.V. Shlapakov // Quality management in an oil and gas complex. - 2007. - No. 4. - P. 52-57.
3. Popov, S.N., Gerasimov, A.I. Way of collecting oil from open reservoirs. No. 2416001 patent Russian Federation of 10.04.2011.
4. Popov, S.N., Gerasimov, A.I., Morova, L.Ja., Efimov, S.E. The device for collecting oil under an ice surface. No. 2435902 patent Russian Federation of 10.12.2011.
5. Popov S.N., Gerasimov A.I., Morova L.Ja. The device for collecting oil under ice. The demand for the invention of 08.07.2013 (in Russian).
6. Popov, S.N., Gerasimov, A.I., Morova, L.Ja., Efimov, S.E. The device for purification of technogenic waters of oil products. No. 136452 patent Russian Federation of 10.01.2014.
7. RD 153-39.4-074-01 "The instruction on an accident elimination and damages on underwater transitions of the main oil pipelines" (it is entered by the Ministry of Energy of the Russian Federation of 06.06.2001 No. 166).
8. The guide to elimination of oil spills by the seas, the rivers and lakes. - SPb. : JSC TsNIIMF, 2002. - 344 p.
