CC BY
196
УДК 504.054
А.А. Гришкевич, В.М. Решетников, И.О. Аржанухин
ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НАСЕЛЕНИЕ
И ТЕРРИТОРИИ ПРИ АВАРИЯХ НА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ
В статье приведено описание способа локализации пенными экранами, применение которых позволит повысить возможность аварийно-спасательных служб города по ликвидации чрезвычайных ситуаций, снизить к минимуму негативные последствия аварийных ситуаций на объектах промышленной инфраструктуры мегаполиса, поможет избежать жертв среди населения и в целом улучшить экологическую обстановку большого города.
Ключевые слова: химически опасный объект; экологическое воздействие; пенные экраны.
A. Grishkevich, V. Reshetnikov, I. Arzhanuhin
WAYS TO REDUCE THE ENVIRONMENTAL IMPACT ON THE POPULATION AND TERRITORIES IN CASE OF ACCIDENTS ON CHEMICALLY HAZARDOUS OBJECTS
The article describes the methods of localization by foam screens, the use of which will allow to increase the ability of the emergency services of the city on elimination the consequences of emergency situations, to reduce to a minimum the negative consequences of emergency situations on the objects of industrial infrastructure in the metropolis, will help to avoid casualties among the population and in general to improve the environment of a big city.
Keywords: chemically dangerous object; environmental impact; foam screens.
В результате аварии на химически опасном объекте может произойти нарушение технологических процессов, повреждение трубопроводов, ёмкостей, хранилищ, транспортных средств, приводящее к выбросу аварийно химически опасных веществ (АХОВ) в атмосферу в количествах, вызывающих массовое поражение людей, животных, а также химическое заражение воды, почвы и т. п. При этом образуется зона химического заражения[4].
При возникновении чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) аварийно химически опасных веществ, основным источником поражающего воздействия становится облако зараженного воздуха. Это облако формируется в результате поступления вещества (примеси) в атмосферу либо при испарении с поверхности жидкого пролива, либо непосредственно при истечении газа из повреждённых ёмкостей, трубопроводов, магистралей и т. п. [4].
В результате быстрого (1-3 мин.) перехода в атмосферу части аварийно химически опасного вещества из ёмкости при её разрушении образуется первичное облако. Вторичное облако АХОВ образуется в результате испарения разлившегося вещества с подстилающей поверхности [4].
В зависимости от физико-химических свойств АХОВ, условий их хранения и транспортировки могут возникать чрезвычайные ситуации с химической обстановкой четырёх основных типов, отличающихся характером поражающих факторов[3].
Первый тип химической обстановки. При аварии на химически опасном объекте происходит разрушение емкости или технологического оборудования, содержащих АХОВ в газообразном состоянии, в результате чего образуется первичное парогазовое или аэрозольное облако с высокой концентрацией АХОВ, распространяющееся по направлению ветра.
Масштабы заражения при этом типе химической обстановки зависят от количества выброшенных АХОВ и их концентрации, скорости ветра, состояния приземного слоя атмосферы (инверсия, изотермия или конвекция), плотности паров АХОВ (легче или тяжелее воздуха), времени суток и характера местности.
Второй тип химической обстановки. При аварийных выбросах (проливах) АХОВ, используемых в производстве или хранящихся (транспортируемых) в виде сжиженных газов (аммиак, хлор и др.), перегретых летучих жидкостей с температурой кипения ниже температуры окружающей
24 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2014'2
среды (окись этилена, фосген, окислы азота, сернистый ангидрид, синильная кислота и др.), образуются первичное и вторичное облака. При этом в результате мгновенного испарения части аварийно химически опасного вещества образуется первичное облако, концентрация паров в котором может многократно превышать смертельную. А при испарении вылившейся в поддон или разлившейся на подстилающей поверхности другой части содержащегося в емкости АХОВ образуется вторичное облако, концентрация паров в котором существенно меньше, чем в первичном облаке. Однако и она может представлять также высокую опасность [1, 3].
Третий тип химической обстановки. При проливе в поддон (обвалование) или на подстилающую поверхность больших количеств сжиженных газов из изотермических хранилищ или жидких АХОВ с температурой кипения, близкой к температуре окружающей среды, а также при горении некоторых сложных химических соединений с выделением АХОВ (например, удобрений типа нитрофоски, комковой серы и других) образуется только вторичное облако заражённого воздуха.
Четвёртый тип химической обстановки. При аварийном выбросе (проливе) значительных количеств малолетучих АХОВ, типа фенола, сероуглерода, несимметричного диметилгидразина и др. с температурой кипения существенно выше температуры окружающей среды, происходит заражение местности (грунта, растительности, воды) в опасных концентрациях [1, 3].
Опасность заражения АХОВ приземного слоя атмосферы, зданий и сооружений, местности, открытых водоисточников, а в отдельных случаях и грунтовых вод при химических авариях определяется физико-химическими свойствами АХОВ, их способностью переходить из одного состояния в другое.
В зависимости от соотношения критической температуры, температуры внешней среды и условий хранения все АХОВ можно разделить на 4 основные группы [1].
I группа. Вещества (рис. 1а), имеющие критическую температуру намного ниже температуры окружающей среды (метан, кислород, этилен и др.). Вещества данной группы в больших количествах хранятся на объектах экономики при температурах ниже критических. В случае разгерметизации ёмкостей с данной группой АХОВ, хранящихся в газообразном состоянии, практически все содержимое ёмкости образует первичное облако. Опасность поражающего действия первичного облака в данном случае зависит не только от типа, количества, физико-химических и токсических характеристик АХОВ, но и от степени разрушения ёмкостей и метеоусловий. Наиболее опасные поражающие факторы в данном случае - первичное облако паров АХОВ, а в некоторых случаях -пожары и взрывы [1].
II группа. Вещества (рис. 1б), у которых критическая температура выше, а температура кипения ниже температуры окружающей среды (аммиак, хлор и др.). При разгерметизации ёмкостей с жидкостями данной категории процесс образования газовых облаков зависит от условий хранения АХОВ.
Если АХОВ хранятся в жидкой фазе в ёмкости под высоким давлением и при температуре выше температуры кипения, но ниже температуры окружающей среды (Тхр1), то при разгерметизации ёмкости часть АХОВ (10-40 %) «мгновенно» испарится (рис. 1б), образуя первичное облако паров АХОВ, а оставшаяся часть будет испаряться постепенно за счёт тепла окружающей среды, образуя вторичное облако паров АХОВ. Наибольшую опасность в данном случае будет представлять первичное облако паров АХОВ за счёт того, что процесс его образования протекает очень интенсивно (в течение 5-10 мин.) с разбрызгиванием значительной части жидкости в виде пены и капель, образованием первичных тяжёлых облаков АХОВ. При этом возможны взрывы пожароопасных аэрозолей.
Если АХОВ хранятся в изотермических хранилищах при температуре хранения ниже температуры кипения (Тхр2), то в случае разгерметизации ёмкости первоначального испарения значительной части жидкости не наблюдается. В первичное облако переходит только 3-5 % от общего количества АХОВ. Оставшаяся часть жидкости перейдёт в режим стационарного кипения. Наиболее опасные поражающие факторы в данном случае - вторичное облако паров АХОВ, переохлаждение, а в некоторых случаях - пожары и взрывы.
--25
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2014'2
III группа. Вещества, у которых критическая температура и температура кипения выше температуры окружающей среды (рис. 1в), т. е. вещества, хранящиеся при атмосферном давлении в жидкой или твёрдой фазе (тетраэтилсвинец, диоксин, кислоты и т. д.). В данном случае при разрушении ёмкостей происходит разлив (рассыпание) АХОВ. Первичное облако паров АХОВ практически отсутствует, однако существует опасность поражения людей вторичным облаком (облаком пыли), загрязнения почвы и водоисточников. а)
Т кр
б)
Т
Т кр Т хр.2
о-
Т
Т окр.ср. Т хр.1
} с
-О-
1
тт
Т 0С
в)
г)
Т к
Т
окр.ср.
Т
кр
Т
хр
_Q
Т
окр.ср.
Т
хр
Т 0С
Тгу -TfbK
кип Т кр 1 С
Т
окр.ср.
Т ,
Т кр Т 0С
Рис. 1. Основные группы АХОВ в зависимости от диаграммы их фазового состояния и температуры окружающей среды:
температуры хранения, окружающей среды, критическая и кипения соответственно
Т Т Т Т
J хр J окр.ср. J Кр J
IV группа. Вещества, относящиеся к III группе, но находящиеся при повышенных температуре и давлении (рис. 1г). При разрушении ёмкостей с АХОВ в данном случае процесс образования газовых облаков происходит аналогично, как для веществ II группы в случае хранения их под высоким давлением и температуре выше температуры кипения, но ниже температуры окружающей среды. Однако вследствие быстрой передачи тепла первичным облаком в окружающую среду, а также с учетом физико-химических свойств АХОВ, они будут постоянно конденсироваться и оседать на местности в виде пятен по следу распространения облака в атмосфере. В последующем возможно их повторное испарение и перенос (миграция) на значительные расстояния от места первоначального осаждения.
Указанные типы веществ и обстановки при авариях на химически опасных объектах, особенно второй и третий, могут сопровождаться пожарами и взрывами, что существенно осложняет обстановку и затрудняет проведение аварийно-спасательных работ.
Таким образом, основным поражающим фактором при химических авариях является заражённое облако. Следовательно, основным способом предотвращения его распространения при ведении аварийно-спасательных работ является постановка жидкостных завес, обеспечивающих осаждение и минимизацию глубины поражающего действия облака АХОВ. В настоящее время при постановке жидкостных завес используются самые разнообразные распылители. Локализация облака постановкой водяной завесы применяется при авариях с выбросом водорастворимых АХОВ (аммиак и других). При выбросе (проливе) АХОВ кислотного характера (хлор, окислы азота, сернистый газ,
хлористый и фтористый водород, окись этилена, фосген и других) завеса ставится с использованием водного раствора аммиака (аммиачной воды): летом - 10-12 %, зимой - 20-25 % концентрации аммиака.
Следует выделить два подхода к созданию завес. В первом случае используются точечные распылители, как правило, это различные виды насадок, установленных на ручные или лафетные стволы, во втором - рукавные распылители [2].
С точки зрения эффективности воздействия на паровоздушное облако, завеса, создаваемая точечным распылителем, имеет свои преимущества и недостатки. Из преимуществ следует отметить достаточно плотный массив движущихся водяных капель. Использование рукавных распылителей, имеющих множество сопел, даёт возможность получения линейных завес, длина которых значительно превышает их ширину. При длине завесы порядка 25м, её протяжённость может обеспечить перекрытие достаточно широкого фронта распространения заражённого облака. Однако больше недостатков:
- малые размеры завесы при сравнительно большом расходе воды;
- при небольших значениях собственных геометрических параметров завесы её размеры могут значительно уступать размерам фронта распространения заражённого облака;
- при малой протяжённости завесы может происходить её обтекание потоком заражённого облака, снижающее эффективность проведения аварийно-спасательных работ;
- большой расход воды может оказаться критическим фактором, определяющим саму возможность применения завесы;
- рукавный распылитель создаёт сравнительно разрежённый массив движущихся водяных капель, недостаточно эффективный при компактном распространении облака заражённого воздуха АХОВ [2].
Практика последних лет показала необходимость оборудования химически опасных объектов совершенными техническими средствами локализации проливов аварийно химически опасных веществ и нефтепродуктов. Современные объёмы использования АХОВ и существующие методы локализации аварий показывают недостаточность борьбы с их распространением на этапе формирования заражённого облака постановкой водяных завес.
Анализ ликвидации последствий аварии показывает недостаточную эффективность жидкостных завес. Необходимо исследование путей и способов локализации аварий. По нашему мнению, одним из таких путей может быть применение твердеющих пенополимерных материалов для формирования защитных покрытий на поверхности пролива с целью недопущения образования и распространения вторичного облака и заражения территории за пределами очага пролива.
Твердеющие пены обладают уникальными свойствами. Одним из таких свойств является способность слоя пены, нанесённого на поверхность жидкости, снижать скорость поступления паров в воздух. Это свойство было проверено экспериментально на примере локализации аварийных проливов нефти. В лабораторных условиях и в ходе учений было показано, что пятисантиметровый слой полимерной пены предотвращает поступление углеводородов в воздух как минимум в течение суток. Это позволяет сократить сроки проведения аварийно-восстановительных работ при аварийных ситуациях.
Для формирования пенных экранов может применяться пенообразующая рецептура (ПОР), получаемая смешением двух компонентов в соотношении 1:1. Компонент № 1 - водный раствор олигомера - вещество, молекулы которого содержат до нескольких десятков одинаковых или различных структурных единиц (мономерных звеньев, способных при определённых условиях образовывать полимеры). Компонент № 2 - водный раствор катализатора отверждения и пенообразователя с технологическими добавками.
Для получения пены можно использовать модуль пенной дегазации (нейтрализации) ОВ и АХОВ, который должен быть автономным, быстросъёмным и обеспечивать:
нанесение пен на поверхности всех типов;
нанесение обычных пен в процессе многостадийной специальной обработки;
приготовление и нанесение как обычных, так и твердеющих пен специального назначения. Норма расхода рецептуры для экранирования пролива пеной с толщиной слоя 5 см должна составлять не менее 2,5 л/м2. Учитывая, что компоненты рецептуры содержат воду, они должны храниться и транспортироваться в отапливаемых отсеках. При хранении компонентов необходимо ориентироваться на раствор олигомера, имеющего гарантию до 1 года. По истечении срока хранения ПОР может быть использована для теплоизоляции пеной внешних поверхностей объектов, так как коэффициент теплопроводности пены составляет около 0,04 Вт/(м*К).
После удаления из пенного экрана воды через несколько суток покрытие приобретает явно выраженную открытопористую структуру. Это свойство может быть использовано для сборов проливов аварийно химически опасных веществ.
В табл.1 приведены рекомендуемые свойства, которыми должны обладать пенообразующие рецептуры.
Таблица 1
Рекомендуемые защитные свойства экранов
Проверяемые параметры Полученное значение
Концентрация паров аммиака над пенным экраном, мг/м3 (ПДК) без экрана более 500
После нанесения 12 (0,6 ПДК)
Через 2 часа 16 (0,8 ПДК)
Концентрация паров углеводородов нефти над пенным экраном, мг/м3 (ПДК) без экрана более 3000
После нанесения 110 (0,36 ПДК)
Через 2 часа 145 (0,48 ПДК)
Концентрация хлора над пенным экраном, мг/м3 (ПДК) без экрана более 100
После нанесения 0,6 (0,6 ПДК)
Через 2 часа 0,8 (0,8 ПДК)
С помощью таких технических средств можно выполнять широкий круг задач в мирное и военное время по ликвидации ЧС на химически опасных объектах, критически важных объектах и объектах жизнедеятельности населения.
Применение способа локализации пенными экранами повысит возможность аварийно-спасательных служб города по ликвидации чрезвычайных ситуаций, снизит к минимуму негативные последствия аварийных ситуаций на объектах промышленной инфраструктуры мегаполиса, поможет избежать жертв среди населения и в целом улучшит экологическую обстановку большого города.
Литература
1. Владимиров В.А., Измалков В.И., Измалков А.В. Радиационная и химическая безопасность населения,
2005.
2. Котов Г.В. Постановка водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) хлора / Г.В. Котов// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011. № 2.
3. Методические указания по ликвидации последствий радиационных и химических аварий. 2 ч., под общ. ред. Владимирова В.А. - М.: МЧС России, 2004.
4. Чрезвычайные ситуации на химически опасных объектах с выбросом аварийно химически опасных веществ (АХОВ) в окружающую природную среду : метод. разработка для студентов / Л.Н. Борисенко [ и др.]. - Н.Новгород: изд-во НГТУ, 2009.
