Моделирование сценариев развития чрезвычайных ситуаций и расчет риска в типовом резервуарном парке нефтебазы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЦЕНАРИЕВ РАЗВИТИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ И РАСЧЕТ РИСКА В ТИПОВОМ РЕЗЕРВУАРНОМ ПАРКЕ НЕФТЕБАЗЫ

И.Л. Скрипник, кандидат технических наук, доцент; С.В. Воронин, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. Т.Т. Каверзнева, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Рассмотрен типовой резервуарный парк нефтебазы. С учетом статистических данных аварий на аналогичных объектах и исходных данных, представленных в нормативных документах, построены деревья отказов, событий для двух вариантов, рассчитан индивидуальный риск, приведены компенсирующие мероприятия для снижения вероятности частичной и полной разгерметизации резервуара.

Ключевые слова: резервуарный парк, авария, вероятность, частота, событие, дерево отказов, дерево событий, риск

MODELING OF SCENARIOS OF DEVELOPMENT OF EMERGENCY SITUATIONS AND THE CALCULATION OF RISK IN A TYPICAL TANK FARM TANK FARM

I.L. Skripnik; S.V. Voronin.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. T.T. Kaverzneva. Peter the Great Saint-Petersburg polytechnic university

A typical tank farm of the oil depot is considered. Taking into account statistical data of accidents at similar facilities and source data presented in regulatory documents, failure trees, events for two options were built, individual risk was calculated, compensating measures were given to reduce the probability of partial and complete depressurization of the reservoir.

Keywords: reservoir park, accident, probability, frequency, event, failure tree, event tree, risk

Анализ статистических данных показывает, что количество крупных пожаров на объектах хранения, переработки нефти и нефтепродуктов в Российской Федерации составляет более десяти в год. Наибольшее число аварий происходит на нефтепроводах и установках. При этом серьезную опасность для жизни людей представляют аварии на резервуарах (14 %), сливоналивных эстакадах, насосных станциях (10 %) (рис. 1). Они сопровождаются взрывами, пожарами и составляют порядка 45 % от общего числа (рис. 2), с числом погибших более 75 % от всех погибших при авариях. Особенно бедственную картину представляет техническое состояние резервуаров хранения нефтепродуктов.

Основной причиной аварий являются сверхнормативные сроки их эксплуатации, технически необоснованные решения при строительстве и др. Нарушение правил проектирования объектов привели к тому, что резервуары стали представлять значительную и с каждым годом возрастающую угрозу. При этом многие нефтебазы в России расположены непосредственно в черте городской застройки, вследствие чего потенциально влекут за собой гибель людей, утрату материальных ценностей, нанесение вреда экологической обстановке в регионе.

□ Нефтепровод

□ Установка

□ Скважина

□ Резервуар

□ Сл.эст.насос. ст.

Рис. 1. Распределение аварий по видам объектов

□ Выход без

возгорания

■ Прочие аварии

О Пожар

□ Взрыв - пожар

■ Взрыв без возгорания

О Пожар-взрыв

Рис. 2. Распределение типов аварий объектов

Проведенный анализ инцидентов в нефтегазовой отрасли показал [1], что наиболее частыми причинами пожара являются пожары от:

- атмосферного электричества;

- самовозгорания пирофорных отложений;

- взрывов парогазовых смесей при отборе проб;

- проведения ремонтных и огневых работ с нарушением требований пожарной безопасности и др.

В ходе исследования рассматривалась типовая нефтебаза с основным опасным объектом - резервуарным парком, которая расположена вблизи от автодороги, недалеко от поселка городского типа с постоянным пребыванием людей. Она обеспечивает бесперебойную работу оборудования, перекачивающих станций нефтепродуктов.

Все технологические помещения (насосная станция, склад хранения) имеют категорию «А» - пожаровзрывоопасные, а сооружения (резервуары для хранения нефтепродуктов, эстакада) - категорию «АН», пары нефтепродуктов относятся к веществам 4 класса опасности.

Хранение нефтепродуктов осуществляется в резервуарном парке, состоящем из трех групп резервуаров. На его территории содержится десять вертикальных стальных резервуаров (РВС) емкостью 20 000 м3 и общей вместимостью 200 000 м3 (рис. 3). Нефтебаза является объектом повышенной пожарной опасности вследствие сосредоточения на ее территории большого количества легковоспламеняющихся и горючих жидкостей.

Нахождение такого потенциально опасного объекта в черте городской застройки обуславливает необходимость разработки дополнительных мероприятий промышленной безопасности.

Рис. 3. Размещение РВС на территории типовой нефтебазы

На основе анализа известных аварий, имевших место на аналогичных объектах, выявлены их наиболее вероятные причины, которые позволили выстроить причинно-следственные связи развития аварийных ситуаций.

В результате анализа статистических данных основных причин аварий резервуаров для оценки риска разработано дерево отказов (рис. 4), связанное с разгерметизацией резервуара в резервуарном парке.

Причинами разгерметизации могут стать: внешние факторы (террористический акт), механические повреждения, стихийные бедствия (природные катаклизмы), дефекты монтажа, нарушение правил эксплуатации и пожарной безопасности [2].

Вероятность наступления события «А» рассчитывается как:

Р(Л) = 1-Пу=1(1-Р(Лу)),

где Р(Ау) - вероятность наступления ]-го события; k - количество событий.

Тогда:

Р2,з,4=1-(1-1,65^Ш-7) -(1-6- 10-7) •(1-5,35а0-7)=0,0000013=1,3^0-6 год-1;

Р5,6= 1-(1-110-9)^(1 -9,910-8)=0,0000001=9,9 • 10-8 год-1;

Р7,8=1-(1-9,24а0-5>(1-2а0-7)=0,0000926=9,2ба0-5 год-1;

Р9до=1-(1-3,1-10-3) •(1-7-10-4)=0,003798=3,79-10-3 год-1.

Разгерметизация РВС

Террористический акт = 1 •Ю-8

Механические повреждения

ГП I

Природные

катаклизмы

Дефекты

монтажа

с.

ч о

-

с.

я £

Рис. 4. Дерево отказов для события, связанного с разгерметизацией резервуара

5

6

7

Р1_10=1-(1-0,0000013>(1-0,000000099>(1-0,0000926> (1-0,003798)^(1-0,00000001)=3,8^10"3 год-1.

-3 -1

Вероятность разгерметизации резервуара составляет 3,8-10- год- , что выше уровня среднестатистического значения по отрасли.

Уменьшить значение вероятности разгерметизации РВС можно на ранней стадии его эксплуатации (в условиях недостаточной информации) и на поздней стадии (в период нормальной эксплуатации).

На ранней стадии при априорной информации это можно сделать путем метода неразрушающегося контроля с помощью электромагнитно-акустического эффекта, позволяющего бесконтактно, с использованием электромагнитного поля, генерировать в контролируемом изделии акустические волны и считывать информацию о его техническом состоянии [3]. В качестве комплексного параметра, характеризующего совокупность механических, акустических, магнитных и электрических свойств РВС, применяется передаточная функция объекта, определенная методом динамической идентификации, позволяющим по временной характеристике сигнала отклика рассчитать ее параметры -коэффициенты полиномов числителя и знаменателя. Результаты расчетов, проделанных в работе [3] позволяют уменьшить:

- частоту пожароопасной ситуации «пожар-пролив» в 1,9 раза;

- частоту взрыва топливно-воздушной смеси (ТВС) в 1,5 раз;

- значение потенциального пожарного риска при применении данного способа на 38,6 %.

На этапе нормальной эксплуатации для снижения коррозионной активности и нейтрализации статического электричества РВС можно использовать воздействие на него электрофизического способа с использованием генератора переменного частотно-модулированного сигнала (ПЧМС). Данное мероприятия позволяет уменьшить частоту возникновения пожароопасной ситуации вследствие [4, 5]:

- коррозии - в 4,4 раза;

- электростатической безопасности - в 1,5 раза.

Пожары в резервуарах обычно происходят в результате взрыва или вспышки паровоздушной смеси в пространстве резервуара со срывом или без срыва крыши, но с нарушением ее целостности. Рассматривая нефтебазу как опасный производственный объект, можно сказать, что наибольшую опасность представляет резервуарный парк, так как при авариях на другом технологическом оборудовании (насосная станция, эстакада) они устраняются силами аварийной бригады объекта и не выходят за рамки штатных аварийных ситуаций.

Сценарии развития чрезвычайных ситуация (ЧС) в резервуарных парках происходят по схемам: взрыв-пожар или пожар-взрыв. При этом поражающими факторами в первом случае выступают ударная волна взрыва и тепловое излучение пожара; во втором случае -наоборот. В результате аварии, связанной со взрывом РВС, пожаром нефтепродуктов, может возникать дальнейшая разгерметизация стенок резервуаров с эффектом «домино», переливом нефтепродуктов через обвалование и воздействием на соседние резервуары.

В дальнейшем рассматриваются два варианта построения «дерева событий».

Применительно для рассматриваемого объекта определены следующие сценарии развития ЧС (рис. 5) (вариант 1):

Рис. 5. Дерево событий развития ЧС в типовом резервуарном парке

Сценарий № 1 - частичная разгерметизация РВС вследствие коррозионного износа, пролив нефтепродукта с последующим воспламенением, тепловое воздействие горящего пролива на расположенные рядом РВС. Это наиболее вероятный сценарий ЧС.

Сценарий № 2 - полная разгерметизация РВС по причине неравномерной осадки основания, пролив нефтепродуктов, испарение нефтепродуктов. Это наиболее экологически опасный сценарий ЧС. Анализ вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, показал, что

наибольшая концентрация имеется у углеводородов - бензинов. Предельно допустимая концентрация паров бензинов в воздухе составляет 100 мг/м3. Наилучшим методом повышения экологической безопасности РВС является исключение потерь нефтепродуктов в атмосферу. Этого можно добиться путем установки мягких резервуаров (МР), которые существенно улучшат экологическую ситуацию и пожарную безопасность на объекте (рис. 6), как это сделано на резервуарах горизонтальных стальных (РГС).

Рис. 6. Размещение мягкого резервуара

Сценарий № 3 - полная разгерметизация РВС по причине попадания прямого удара молнии, взрыв паровоздушной смеси внутри РВС, пролив горящих нефтепродуктов, тепловое воздействие горящего пролива на рядом стоящие РВС (возможен выход нефтепродуктов за пределы (периметр) обвалования). Наиболее опасный сценарий развития ЧС.

Дерево событий графически отображает общий характер развития возможных ЧС с отражением взаимосвязи событий в зависимости от специфики опасности объекта и является исходной информацией для оценки риска.

Разработана логическая схема инициирования аварийной ситуации и путей развития ее сценариев. Логическая схема аварии включает: начальное инициирующее событие -разгерметизация РВС, 10 ветвей сценариев, описывающих их развитие от начального события до конечных, и граничные условия - вероятность совершения.

Вероятность развития сценариев ЧС в резервуарном парке определяется умножением вероятности разгерметизации резервуара на вероятность конечного события:

Р Сценарий № 1=3,840-3 0,2=7,6 10-4 год-1;

Р Сценарий № 2=3,8^0-3 0,1=3,8 10-4 год-1;

Р Сценарий № э=3,8^10-3 0,06=2,28 10-4 год-1.

Исходя из расчётов, видно, что наиболее опасным событием является взрыв паровоздушной смеси внутри РВС, пролив горящих нефтепродуктов, вероятность которого составила 2,28 10- год- . Экологически опасным событием является испарение паров нефтепродуктов с вероятностью 3,8 10-4 год-1. Наиболее вероятным событием является пролив нефтепродукта с последующим тепловым воздействием с вероятностью 7,610-4 год-1.

С учетом исходных данных, используемых в работе [6], построено еще одно «дерево событий» (2 вариант) (рис. 7).

В данном случае рассматриваются следующие виды аварий:

а) взрыв ТВС;

б) взрыв внутри оборудования;

в) пожар пролива.

Инициирующими событиями аварии также являются частичная и полная разгерметизация оборудования.

В результате анализа «рабочего листа» для РВС учтено, что частота выброса для 10 РВС, времени работы РВС 8 040 ч/год, количества часов в году 8 760 ч составляет при разгерметизации:

- полной (повреждение на полное сечение; степени аварийности 10-5 1/год)=9,17^10-4;

- частичной (через отверстие диаметром 25 мм; степени аварийности 10-4 1/год)=9,17^10-3.

Для пожара пролива при разгерметизации:

- полной - С 1п=9,17 10-4 •1,8-10-2=1,65 10-7 1/год;

- частичной - С1=9,1710-3 •1,8-10-2=1,65 10-6 1/год.

Для взрыва ТВС при разгерметизации:

- полной - С2п=9,17 -10-4-5,6-10-3=5,13-10-8 1/год;

- частичной - С2=9,17 10-3 •5,6^10-3=5,13 10-7 1/год.

TeiLiüi oe юзденсттне на .тюден н обопудшалне C^Cj Пожар _

Образопнне пролнхаЖФ пполшаЖФ 0,018

0,06

П.2 Без опасных пос ледстенн

0,042 Возденет! « УВВ на „ люден н оооп аиле

По .иная (частичная) разгерметизация резергуара 9,ГНО Угод (9,17-М"3 1/год) ДиЬлал) алия ТВ С 0,0056

Ис паренне пролнхаЖФ н образование облака ТВС 0,028 Без опасных ляс л! дстхнн

0,0224

1

0,14 Faxe енханне облака без о пас иых последа они

Лике ндадня пр о лш а без опасных последствий 0,112

0,8

Рис. 7. Дерево событий развития ЧС в резервуарном парке (ЖФ - жидкая фаза; УВВ - ударная волна взрыва)

Из расчетов видно, что самым опасным сценарием является С2п с вероятностью

о

5,14-10 1/год: полная разгерметизация резервуара РВС-20.000 ^ образование пролива ^ испарение ЖФ и образование облака ТВС ^ дефлаграция ^ воздействие УВВ на персонал и соседнее оборудование.

Для второго «дерева событий» вероятность опасного сценария получилась невысокой. Индивидуальный риск в случае разгерметизации РВС-20.000 будет равен [6]: Для пожара пролива при разгерметизации: - полной - С1п = 1 ■ 1,65 ■ 10"7 ■ 0,3 = 4,95 ■ 10"61/год;

- частичной - С 1 = 1 ■ 1, 6 5 ■ 1 0 _6 ■ 0, 3 = 4, 9 5 ■ 1 0 _5 1 / г о д.

Для взрыва ТВС при разгерметизации:

- полной - C2n=1-5,13-10-8 Ю,3=1,539 10-8 1/год;

- частичной - C2=1-5,13-10-7 -0,3=1,539-10-7 1/год.

Тогда общий индивидуальный риск при разгерметизации РВС составит:

- полной - R и Нд. п оЛ н . = R С 1 п + R С 2 П = 4, 9 5 ■ 1 0 "6 + 1, 5 39 ■ 1 0 " 8 = 4, 9 6 ■ 1 0 " 6 1 /г од;

- частичной - Rи нд. част . = RCi + RС 2 = 4, 9 5 ■ 1 0 " 5 + 1, 5 3 9 ■ 1 0 " 7 = 4, 9 6 ■ 1 0 " 5 1 / г о д.

В работе рассмотрению подлежали только 10 РВС. При учете всего оборудования нефтебазы (ж/д цистерна, трубопровод от ж/д цистерны до насосной, насосная, трубопровод от насосной до резервуарного парка; трубопровод от резервуарного парка до автоматизированной станции налива (АСН), АСН, трубопровод от АСН до автоцистерны; автоцистерна) общий индивидуальный риск будет равен [6]:

Rmw^. = 1, 5673 ■ 1 0 1 /г од.

В результате расчетов можно сделать выводы о превышении уровня индивидуального риска приемлемым значениям.

В данном случае получается неприемлемый вариант, так как значение приемлемого риска находится в диапазоне 1 0 _ 4 > R и нд < 1 0 _ 5 , следовательно, необходимо разработать меры по его снижению. Данные мероприятия включают комплекс организационно-технических мероприятий, направленный на снижение риска аварийных ситуаций, представленный в работе [1].

Таким образом, моделирование сценариев развития ЧС и расчет риска в резервуарном парке нефтебазы поможет разработать технические решения для снижения числа аварийных ситуаций, уменьшения материального ущерба, экологической опасности и, самое главное, свести к минимуму гибель обслуживающего персонала и штатных подразделений пожарной охраны.

Литература

1. Воронин С.В., Скрипник И.Л., Кадочникова Е.Н. Анализ снижения пожарной опасности резервуарных парков // Проблемы управления рисками в техносфере. 2018. № 4 (48). С. 15-20.

2. Реализация технологии управления свойствами наноструктур в жидких углеводородах для снижения пожарного риска на объектах нефтегазового комплекса / А.В. Иванов [и др.] // Вестник Уральского института ГПС МЧС России. 2019. № 2 (23). С. 49-58.

3. Хуснутдинова И.Г. Разработка методики оценки ресурса безопасной эксплуатации технологических трубопроводов на основе электромагнитно-акустического эффекта: автореф. канд. техн. наук. Уфа, 2018. 24 с.

4. Приймак В.В. Методика комплексного технологического аудирования для управления пожарной безопасностью объектов хранения нефтепродуктов: автореф. канд. техн. наук. СПб., 2018. 23 с.

5. Иванов А.В., Скрипник И.Л., Воронин С.В. Уменьшение процесса коррозии металла при воздействии переменного частотно-модулированного сигнала // Проблемы управления рисками в техносфере. 2019. № 1 (49). С. 14-24.

6. Методические основы по проведению анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объектах (утв. Приказом Ростехнадзора от 11 апр. 2016 г. № 144). М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2016. 51 с.

References

1. Voronin S.V., Skripnik I.L., Kadochnikova E.N. Analiz snizheniya pozharnoj opasnosti rezervuarnyh parkov // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2018. № 4 (48). S. 15-20.

2. Realizaciya tekhnologii upravleniya svojstvami nanostruktur v zhidkih uglevodorodah dlya snizheniya pozharnogo riska na ob"ektah neftegazovogo kompleksa / A.V. Ivanov [i dr.] // Vestnik Ural'skogo instituta GPS MCHS Rossii. 2019. № 2 (23). S. 49-58.

3. Husnutdinova I.G. Razrabotka metodiki ocenki resursa bezopasnoj ekspluatacii tekhnologicheskih truboprovodov na osnove elektromagnitno-akusticheskogo effekta: avtoref. kand. tekhn. nauk. Ufa, 2018. 24 s.

4. Prijmak V.V. Metodika kompleksnogo tekhnologicheskogo audirovaniya dlya upravleniya pozharnoj bezopasnost'yu ob"ektov hraneniya nefteproduktov: avtoref. kand. tekhn. nauk. SPb., 2018. 23 s.

5. Ivanov A.V., Skripnik I.L., Voronin S.V. Umen'shenie processa korrozii metalla pri vozdejstvii peremennogo chastotno-modulirovannogo signala // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2019. № 1 (49). S. 14-24.

6. Metodicheskie osnovy po provedeniyu analiza opasnostej i ocenki riska avarij na opasnyh proizvodstvennyh ob"ektah (utv. Prikazom Rostekhnadzora ot 11 apr. 2016 g. № 144). M.: ZAO NTC PB, 2016. 51 s.