ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТУШЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРОВ НА НЕФТЕГАЗОПРОВОДАХ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Кармес А. П.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМы ОБЕСПЕЧЕНИя ТУШЕНИя и предотвращения ПОЖАРОВ НА НЕФТЕГАЗОПРОВОДАХ

В статье рассматриваются вопросы предупреждения и ликвидации пожаров и аварий на трассах нефтепроводов. Описано состояние системы нефтегазопроводов в России, обозначены условия тушения пожаров и требования к пожарной технике. Для обеспечения пожарной безопасности предлагается использовать инновационные технологии получения температурно-активиро-ванной воды и левитирующей пены.

Ключевые слова: пожар, авария, нефтегазопровод, температурно-активированная вода, левитирующая пена.

общая характеристика системы

нефтегазопроводов в россии

Современные предприятия нефтегазовой отрасли представляют собой сложные производства, эффективность работы которых во многом определяется безопасностью эксплуатации нефтегазопроводных систем, зависящей от их эксплуатационной надёжности. В связи с этим особо остро встаёт проблема надёжности и экологической безопасности в системах магистрального трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов [1].

Безопасность магистральных трубопроводов - одна из основных задач, стоящих перед проектировщиками этих систем и МЧС России. В 2013 году в Государственной Думе Российской Федерации принят ФЗ № 408228-5 «Технический регламент о безопасности магистральных трубопроводов для транспортировки жидких и газообразных углеводородов», устанавливающий обязательные требования к проектированию, строительству, эксплуатации, консервации и ликвидации магистральных трубопроводов.

Общая протяжённость магистральных трубопроводов России - более 200 тысяч км, при этом они пересекают свыше пяти тысяч водных преград (см. рис. 1).

Как видно на карте, значительная доля трасс нефтегазопроводов проходит по удалённой от населённых пунктов местности со сложным рельефом (предгорья и горы Урала и Кавказа, болота Западной Сибири и Севера, горнотаёжные районы Восточной Сибири и Дальнего Востока).

Особенности прокладки трубопроводов различны и зависят от природных условий, которые подразделяются на шесть групп:

- освоенные равнины (уклон менее 10 градусов);

- пустыни;

- болота;

- вечномёрзлые грунты;

- горы;

- водные преграды.

Каждая из групп требует применения особой технологии строительства и особой техники.

Различают четыре способа прокладки трубопроводов:

- подземная прокладка (ниже дневной поверхности земли);

- полуподземная (полузаглублённая);

- наземная прокладка в насыпи и без насыпи (на дневной поверхности);

- надземная прокладка (выше дневной поверхности) [2].

Толчком для масштабного развития сети трубопроводного транспорта стало освоение удалённых месторождений. С каждым годом растут не только объёмы перекачек, но и длина трубопроводов, их диаметр, мощность и рабочее давление.

Рисунок 1. Нефтегазовая инфраструктура Российской Федерации

В настоящее время почти весь объём добываемых в России нефти и природного газа транспортируется по магистральным трубопроводам [3].

Действующая система магистральных газопроводов, построенная как часть всесоюзной газотранспортной системы, в основном обслуживает транзитные потоки природного газа. При этом почти все газопроводы построены 20-30 лет назад и достигли критического износа. В связи с этим усиливается тенденция роста количества и масштабов аварий.

Средний срок эксплуатации стальных трубопроводов составляет 10-25 лет в зависимости от грунтовых, климатических и прочих условий. По оценкам специалистов, из ветхих изношенных магистральных трубопроводов ежегодно вытекает от 10 до 15 млн тонн нефти. Наибольшие её утечки наблюдаются в Западной

Сибири, где добывается 80 % российской нефти.

Увеличение отказов при достижении определённых сроков службы характерно для любой механической системы, в том числе и для нефтегазопроводов, и связано с ухудшением их состояния под влиянием процессов износа, накопления коррозионных и усталостных повреждений при эксплуатации.

аварии и пожары на нефтегазопроводах

Аварии на нефтегазопроводах представляют большую опасность для человека и окружающей среды, поскольку сопровождаются выбросом в атмосферу, на грунт и в водоёмы пожароопасных и токсических продуктов.

Наиболее опасными авариями являются пожары от взрыва газа и загорания нефти, особенно при проведении ремонтных работ. Причинами этого могут выступать наличие открытого огня в период проведения ремонтных работ при сварке металла, короткие замыкания электрических сетей, электрооборудования и др.

Одним из малоисследованных источников открытого огня могут быть сульфиды железа, образующиеся в виде «чёрного порошка» в результате коррозии труб нефтегазопроводов. Сульфиды железа могут накапливаться в трубах, компрессорах, возле задвижек, тем самым значительно ухудшая технические характеристики оборудования. Сульфиды железа воспламеняются на открытом воздухе или при попадании воздуха внутрь оборудования во время вывода оборудования из эксплуатации или про-

ведения плановых ремонтно-очистных работ. Реакция между сульфидом железа и кислородом сопровождается выделением значительного тепла, что приводит к увеличению температуры сульфидов железа до 400-450 °С. Такие процессы внутри технологического оборудования (ректификационных колонн, резервуаров, трубопроводов и т. д.), содержащего остатки углеводородов, могут привести к пожарам, взрывам и угрозе жизни людей. Анализ системы трубопроводов показал, что существуют трубопроводы, для которых проблема контроля сульфидов железа является наболевшей, а есть трубопроводы, где она отсутствует. Последнее характерно только для трубопроводов, непосредственно обслуживающих потребителей [4].

Вплоть до настоящего времени не до конца решена задача оценки пожарной

Таблица 1

Крупные аварии на газопроводах в России (2012 год)

Дата Место Описание Последствия

24 апреля Саратовская область, Фёдоровский район Взрыв на магистральном газопроводе привёл к возникновению пожара Газоснабжение населения прервано не было, жертв и пострадавших нет

18 мая Республика Дагестан, Кизилюртовский район Пожар на участке магистрального газопровода «Моздок - Кази-магомед» Без газа остались города Кизи-люрт и Хасавюрт, а также населённые пункты в трёх районах республики. Жертв нет

10 сентября Москва, 89-й километр МКАД При проведении работ по опрес-совке труб газопровода бригадой рабочих газовой службы произошёл взрыв Погибли три человека

19 октября Ижевск На подземном газопроводе высокого давления произошёл прорыв - трубу повредил подрядчик, проводивший работы по благоустройству пешеходного перехода Без газа остались два района города с населением около 110 тысяч человек и 31 промышленное предприятие

3 ноября Московская область, Щёлковский район Авария на магистральном газопроводе высокого давления «Оборники - Щитниково» привела к пожару, высота пламени достигала 10 метров В садовом товариществе загорелись десять частных домов

безопасности и надёжности нефтегазопроводов при наличии сероводорода, воспламеняющихся продуктов коррозии труб и диффузии водорода в металл трубы.

Основными поражающими факторами аварии (взрыва, пожара) на линейной части магистральных нефтепродукто-проводов являются:

- растекание нефтепродуктов и загрязнение территории, почвы, подземных и открытых водных источников;

- образование опасных концентраций паров нефтепродуктов в приземистом слое атмосферы;

- опасное воздействие негорящих нефтепродуктов на людей, здания, животный и растительный мир;

- тепловое излучение пожара;

- ударная волна взрыва.

Основные поражающие факторы

при авариях на газопроводе:

- большие утечки газа, нередко сопровождаемые его воспламенением;

- поражение воздушной ударной волной при взрыве газопаровоздушной смеси;

- токсическое отравление продуктами горения: образование и перенос опасных концентраций паров горючих газов в приземном слое атмосферы [5].

В дополнение к ущербу, который пожар причиняет нефтегазопроводу, появляется ущерб от сопутствующих пожаров. Так, значительная часть трасс магистральных трубопроводов проходит через лесные массивы и пожары на них порождают опасность лесных пожаров. А в некоторых случаях, наоборот, лесные пожары могут привести к пожарам на магистральных нефтегазопроводах.

Аварии на магистральных трубопроводах часто приводят к человеческим жертвам. В 1989 году вблизи Уфы произошла крупная авария: в результате взрыва из-за утечки из проржавевшего трубопровода погибли 850 человек, были уничтожены сотни гектаров леса. В таблице 1 представлены данные по авариям и пожарам в 2012 году [6].

условия тушения пожаров на нефтегазопроводах

Удалённость нефтегазопроводов существенно осложняет доставку оборудования и запаса огнетушащих веществ при авариях и пожарах. Как правило, для этого применяется пожарная техника, предназначенная для охраны населённых пунктов и объектов экономики. Технические возможности данной техники по подаче огнетушащих средств ориентированы на использование имеющихся в населённых пунктах источников противопожарного водоснабжения (противопожарного водопровода либо открытых водоёмов). Вывозимый на данной технике запас огнетушащих средств достаточен для тушения нераз-вившихся пожаров в начальной стадии. По мере его расходования предусмотрена подача огнетушащих средств от внешних источников.

Как показывают статистические закономерности, время тушения пожаров на нефтегазопроводах в большинстве случаев превышает возможности пожарных автоцистерн по подаче огнетуша-щих веществ от вывозимого запаса огне-тушащих средств. Поэтому, как правило, вызывается дополнительное количество пожарных автоцистерн для подвоза огне-тушащих средств, в том числе от удалённых водоисточников. Это приводит к ослаблению охраны населённых пунктов и объектов экономики на время задействования этих сил для тушения пожара на нефтегазопроводе.

В практике пожаротушения технически предусмотрена возможность подачи огнетушащих средств для тушения развившихся пожаров на расстояние до двух километров, однако при этом затруднена прокладка рукавной линии в труднодоступных местах, так как она осуществляется посредством выгрузки пожарных рукавов большого диаметра (чаще 150 мм) из пожарного рукавного автомобиля. Для подачи воды по таким

рукавным линиям требуется установка на открытый водоисточник пожарной насосной станции. В дополнение можно сказать, что существующая пожарная техника более приспособлена для подачи огнетушащих средств на значительные расстояния по горизонтали, без учёта рельефа. Так, возвышение рельефа на сто метров на расстоянии одного километра становится непреодолимым препятствием.

В связи с вышеизложенным, актуальным представляется поиск методов и разработка на их основе технических средств, позволяющих обеспечить доставку огнетушащих средств для тушения пожаров на нефтегазопроводах.

Учитывая, что часть пожаров на нефтегазопроводах возникает при проведении регламентных и ремонтных работ, следует предусмотреть наряду с техническими средствами доставки огнетушащих средств для тушения пожаров и средства предотвращения пожаров. На трассах магистральных нефтегазопроводов должна иметься специализированная техника, которая позволит наблюдать за площадкой проведения регламентных или аварийных работ в любое время года и при любых погодных условиях, производить тушение пожара в начальной стадии, обеспечит разными видами энергии (электричество, тепло, вода).

Важным условием является возможность подачи огнетушащих веществ и раз-

ных видов энергии в труднодоступные места трасс нефтегазопроводов, куда нельзя добраться с помощью автотранспорта (горные участки, болота, переходы через водные преграды, тоннели).

температурно-активированная вода и левитирующая пена

Требованиям к тушению и предотвращению пожаров на нефтегазопроводах отвечают разработанные в Академии ГПС МЧС России технология получения температурно-активированной воды (ТАВ) и образцы техники для тушения с использованием ТАВ.

Физическая сущность получения ТАВ заключается в подаче воды под большим давлением (от 1,6 до 10 МПа) в специально разработанный прямоточный водотрубный теплообменник. В теплообменнике вода сначала нагревается (с помощью дизельной горелки) до температуры 160-280 °С (такую воду принято называть недогретой, поскольку температура жидкости меньше температуры насыщения при заданном давлении), затем недогретая вода по гибким или металлическим трубопроводам подаётся к специальным стволам-распылителям, где она за доли секунды (10-4-10-9 с) переходит в метастабильное состояние. В результате последующего взрывного вскипания образуются струи ТАВ

Таблица 2

Параметры воды при её температурной активации

Температура t, °С Давление P, МПа Состояние Время т, с

4-60 0,01 Вода 1-3

4-60 1,6-10,0 То же 3-5

160-280 1,3-8,0 Недогретая вода 40-60

160-280 0,6-1,9 Перегретая вода 10-4-10-9

60 0,01 ТАВ 300-1800

100 90

60 -50 -

20 -10 -

0,1

1

Распыл струи, мкм

а)

10

100 90

60 -

30 -

0,1

1

Распыл струи, мкм б)

10

Рисунок 2. Распределение радиуса капель воды по размерам (по горизонтали) при распылении из форсунки: 'С;

а) t = 25

' воды

б) t = 240 °С

воды

80 "

70 "

50 -

40 -

20 -

10 "

0

0

с размером капель от 0,1 до 10 мкм, которые по своим свойствам близки к тёплым туманам и облакам [7] (см. табл. 2).

Капли ТАВ одновременно имеют субмикронные и микронные размеры (см. рис. 2). Бимодальное распределение размера капель можно изменять в широких пределах за счёт давления и температуры недогретой воды, а также конструкции ствола-распылителя [8].

Таким образом, ТАВ называется паро-капельная смесь, полученная в результате мгновенного перехода недо-гретой воды в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания.

На основе ТАВ разработан ещё один вид огнетушащего вещества, имеющего принципиально новый механизм тушения - левитирующая пена (ЛП). ЛП - это паро-капельная смесь, полученная в результате мгновенного перехода в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания раствора или смеси (эмульсии) недогретой воды и пенообразователя. Она обладает следующими возможностями тушения пожара:

- охлаждение (состоит из капель воды);

- изоляция горючего вещества от кислорода;

- уменьшение процентного содержания кислорода (за счёт испарения воды).

Принципиально важным является то, что ЛП долго витает, заполняет объёмы и образует пену только там, где температура газовой среды (воздуха) или поверхности превышает 100 °С, то есть только в пламени или на горячих поверхностях любой конфигурации.

Поскольку внутри пузырьков находится пар, то после разрушения пузырьков пар разбавляет воздух, уменьшая тем самым процентное содержание кислорода и снижая тем самым скорость горения. Ни одно из известных огнетушащих веществ не обладает таким набором возможностей тушения пожара.

Уникальные свойства TAB и ЛП позволяют добиться многофункциональности пожарной и аварийно-спасательной техники. Струи ТАВ могут быть использованы для тушения практически всех видов горючих веществ, которые не вступают в химическую реакцию с водой с выделением большого количества тепла или горючих газов. Они эффективно тушат бензины различных марок, нефтепродукты, спирты, ацетон, другие углеводороды и водорастворимые жидкости, а также твёрдые горючие материалы: древесину, резину, поливинилхлорид, полистирол [7].

Теплоэнергетическая установка получения ТАВ открывает перед пожарными подразделениями принципиально новые возможности тушения пожаров и ликвидации аварий:

- обеспечение как поверхностного, так и объёмного пожаротушения при подаче ТАВ от передвижной пожарно-спасательной техники;

- тушение широкого перечня горючих материалов за счёт применения ТАВ или ЛП, то есть без использования 4-5 видов огнетушащих веществ;

- значительное уменьшение расхода огнетушащего вещества по сравнению с традиционными методами пожаротушения;

- эффективное осаждение дыма и быстрое уменьшение температуры на месте пожара;

- снижение взрывоопасной концентрации паров нефтепродуктов внутри замкнутого объёма (резервуара, цистерны, технологической установки) и на открытом пространстве (локальное тушение по объёму);

- очистка поверхностей от нефтепродуктов путём растворения ТАВ без добавления поверхностно-активных веществ;

- тушение пожаров на высотных объектах с помощью передвижной пожарной техники посредством подачи

ТАВ от автомобиля по гибкому трубопроводу или сухотрубу на высоту не менее 300 метров;

- тушение пожаров в тоннелях с помощью передвижной пожарно-спасательной техники без заезда внутрь тоннеля, подача ТАВ от автомобиля с теплоэнергетической установкой по гибкому трубопроводу или сухотрубу на расстояние до 1 000 метров;

- возможность обеспечения электроэнергией и теплом промплощадок, зданий по временной схеме;

- обеспечение работоспособности пожарной техники в зимних условиях при низких температурах.

Эти возможности являются востребованными при работах на нефтегазопроводах - как для тушения пожаров, так и для их предотвращения. При этом одна единица техники обеспечивает выполнение сразу нескольких функций.

Для выявления возможностей успешного применения технологии ТАВ для тушения и предотвращения пожаров на трассах магистральных трубопроводов необходимо провести исследование возможности подачи огнетушащих веществ (ТАВ и ЛП) в условиях сложного рельефа местности, сочетающего горизонтальные участки с подъёмами и уклонами.

литература

1. Айдаров Д. К., Джексенбаев Е. К., Джек-сенбаев Н. К. Аналитический обзор по изучению причин аварий на нефтегазопроводах и оценка ущерба. URL: http://vestnik.kazntu.kz/files/ newspapers/51/1575/1575.pdf

2. СНиП 2.05.06-85*. Строительные нормы и правила. Магистральные трубопроводы.

3. Верный Е. Нефть + Газ = Безопасность. URL: http://spb.kodeks.ru/actual/actual_31.html

4. Гумеров А. Г., Ямалеев К. М, Гуме-ров Р. С., Азметов Х. А. Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта. - М.: Недра, 1998.

5. Перечень факторов риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. URL: http://www.pandia.ru/text/77/132/232.php

6. Крупные аварии на газопроводах в России в 2007-12 гг. (РИА «Новости», 03.11.12 г.) URL: http://www.01-news.ru/smi_375.html

7. Научно-технический каталог - 2013: Лучшие разработки учёных Академии ГПС МЧС России в области пожарной безопасности. - М., 2013. - С. 8-9, 40-41, 76-77.

8. Мариничев Д. В. Экспериментальное исследование тонкодисперсного распыла перегретой воды: автореф. ... дис. канд. техн. наук: 01.04.14. - М., 2013.

9. Алешков М. В. Основные направления развития пожарной техники в системе Государственной противопожарной службы. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010.

Karmes A.

TECHNICAL PROBLEMS OF ENSURING FIRE-FIGHTING AND PREVENTING FIRES ON OIL AND GAS PIPELINES

Purpose. The article considers the problem of preventing and eliminating accidents and fires on oil and gas pipeline routes, a significant amount of which runs through the complex terrain away from settlements.

Methods. Based on the analysis of the conditions of fire extinguishment on oil and gas pipelines, the requirements for specialized fire appliances ensuring supply of fire extinguishants, regardless of the time of the year, a terrain type and a level of accessibility have been developed.

Findings. To solve the problem of fire safety of oil and gas pipelines new technologies producing temperature-activated water and levitating foam developed at the State Fire Academy of EMERCOM of Russia are offered for application.

Research application field. Specialized appliances provide fire extinction of oil and gas pipeline

routes, supply different kinds of energy (electricity, heat, water) for maintenance at any time of the year and under any weather conditions.

Due to their properties, temperature-activated water and levitating foam can be used on almost all types of flammable substances which are not water reactive: gasoline, oils, alcohol, acetone and other hydrocarbons, and water soluble liquids and solid combustible materials (wood, rubber, polyvinylchloride, polystyrene).

Conclusions. Introduction of temperature-activated water and levitating foam generation technology and further study of its possible application reduce fire risk and its effects on man and environment.

Key words: fire, accident, oil and gas pipeline, temperature-activated water, levitating foam.

REFERENCES

1. Aidarov D. K., Dzheksenbaev E. K., Dzheksenbaev N. K., Analiticheskii obzor po izucheniiu prichin avarii na nefte-gazoprovodakh i otsenka ushcherba (Analytical review of the causes of accidents on oil and gas pipelines and damage assessment), available at: www.vestnik.kazntu.kz/files/newspapers/ 51/1575/1575.pdf (accessed 2 February 2014).

2. SNIP2.05.06-85*. Magistral'nye truboprovody (Construction Norms and Regulations: Main pipelines), Moscow, 1997.

3. Vernyi E. Neft' + Gaz = Bezopasnost' (Oil + Gas = Safety), available at: www.spb.kodeks.ru/actual/actual_31.html (accessed 2 February 2014).

4. Gumerov A. G., Yamaleev K. M., Gumerov R. S., Azme-tov Kh. A., Defektnost' trub nefteprovodov i metody ikh remonta (Defectiveness of pipes on oil and gas pipelines and methods of maintenance), Moscow, 1998.

5. Perechen' faktorov riska vozniknoveniia chrezvychai-nykh situatsii prirodnogo i tekhnogennogo kharaktera (List of risk factors of natural and manmade emergency situations origin),

available at: www.pandia.ru/text/77/132/232.php (accessed 11 March 2014).

6. Krupnye avarii na gazoprovodakh vRossii v 2007-12 g. (Major accidents on gas pipelines in Russia in 2007-12), available at: www.01-news.ru/smi_375.html (accessed 18 February 2014).

7. Nauchno-tekhnicheskii katalog - 2013: Luchshie razra-botki uchenykh Akademii GPS MChS Rossii v oblasti pozharnoi bezopasnosti (Scientific and technical catalog - 2013: Best scientific developments of State Fire Academy of EMERCOM of Russia in the field of fire safety), Moscow, 2013, pp. 8-9, 40-41, 76-77.

8. Marinichev D. V. Eksperimental'noe issledovanie tonkodispersnogo raspyla peregretoi vody (Experimental study of the finely dispersed and overheated water. Dissertation), Moscow, 2013.

9. Aleshkov M. V. Osnovnye napravleniia razvitiia po-zharnoi tekhniki v sisteme Gosudarstvennoi protivopozharnoi sluzhby (Main directions of fire fighting appliances development in the system of the State Fire Service), Moscow, 2010.

ALEKSEi Karmes

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia