Количественный анализ риска возможных разливов нефти и нефтепродуктов

       Потери  напора на преодаление местных сопротивлений hм вычисляются для трубопроводов с достаточной степенью точности из следующего выражения hм=kmh, где km ≈ 0,02-0,05.

       При выполнении практических расчетов по уравнению (4) необходимо определить высотную отметку Z(t), соответствующую свободной  поверхности нефти в сечении X(t). Для этого трубопровод разбивается, в соответствии с профилем трассы, на элементарные линейные участки и предполагается, что, в пределах этих участков, ось трубы прямолинейна (рис.1). Вследствие чегоположение оси каждого из элементарных участков трубы описывается линейным уравнением

       Z(t) = ki[X(t) - Lx2] + Zx2,

       где ki = (Zx1 - Zx2)/(Lx1 - Lx2) - коэффициент наклона i-го элементарного линейного участка;

       Lx1, Zx1 и Lx2, Zx2 - координаты соответственно начала и конца элементарного линейного

       участка.

       Исключая Z(t) из уравнения Бернулли и решая  его относительно скорости перемещения свободной поверхности столба жидкости в трубопроводе для гидравлически гладких труб, получаем уравнение для определения длины j-го элементарного участка, опорожняемого за время j-го шага истечения tj. Определяя по времени, необходимом для ликвидации аварии, число шагов дискретизации процесса истечения нефти, рассчитываем массу аварийного выброса для r-го режима истечения r-ой ветви трубопровода:

       

       где Xj - координата j-го сечения, соответствующая j-ому положению в трубе свободной

       поверхности жидкости для j-го шага времени истечения;

       tj - время j-го шага истечения;

       - число шагов дискретизации процесса  аварийного истечения жидкости;

       lj - длина опорожняемого участка трубы за время tj.

       Совместное  решение уравнений (3) и (7) позволяет рассчитать массу аварийного слива нефти в зависимости от профиля трассы, диаметра аварийного отверстия и времени истечения в каждом из рассматриваемых режимов опорожнения нефтепровода. При расчетах время истечения и диаметр аварийного отверстия задаются сценариями развития аварии на рассматриваемом участке трубопровода.

       Расчет  массы аварийного вылива нефти реализован программно в среде Mathcad 11 Professional.

       Используя данную программу расчета, определяется матрица масс аварийных выбросов нефти Mij для всех возможных сценариев развития аварии на рассматриваемом участке магистрального трубопровода.

       Масса аварийного выброса в значительной степени зависит от диаметра аварийного отверстия di и полного времени истечения нефти tj. Время истечения нефти можно разбить на два в достаточной степени самостоятельных, независимых этапа: время закрытия задвижки на сборной емкости и время самотечного режима до полной ликвидации истечения аварийно - восстановительными бригадами. Для каждого r-ого этапа рассчитываются матрицы масс аварийных выбросов. Сумма данных матриц определяет исходную для дальнейших расчетов матрицу .

         

1. Оценка  массы  возможных  аварийных  разливов  на трубопроводе перекачки  нефти 

       Оценим  количество опасного вещества, способного участвовать в аварии при неконтролируемых разливах   нефти  на линейной части трубопроводов с учетом реального профиля трассы.

       При оценке массы  возможных   разливов   нефти  исходили из специфики и профиля реальной

       трассы  и следующих принятых допущений:

• время перекрытия задвижки на сборной емкости Южного купола при реализации сценария

       "А"  варьируется от 10 до 40 мин. - время,  по экспертной оценке специалистов  рассматриваемого

       объекта, необходимое оператору на принятие мер, направленных на ликвидацию аварии;

• время перекрытия задвижки на сборной емкости Северного купола при реализации сцена-

       рия "Б" варьируется от 5 до 20 мин. - время, по экспертной оценке специалистов рассматриваемо-

       го  объекта, необходимое оператору  на принятие мер, направленных на ликвидацию аварии;

• в сценарии "А" или "Б" время самотечного режима при выливе  нефти  через аварийное отверстие определяется временем на принятие адекватного решения в чрезвычайной ситуации, временем обнаружения места  разлива   нефти , временем прибытия к месту аварии ремонтно восстановительной бригады, временем необходимым для устранения аварийного выброса и составляет не менее 120 мин.;
• в сценарии "А" или "Б" полное время истечения  нефти  за время закрытия задвижки и свободного вылива после закрытия задвижки составит, с учетом принятых выше допущений, 130 -160 мин.;
• время перекрытия задвижки на сборной емкости при проколе трубы и реализации сценария

       "В"  или "Г" определяется временем  обнаружения утечки на продуктопроводах  и составляет, исходя из специфики  наблюдаемости трассы, от 60 до 240 мин.;

• в сценарии "В" или "Г" при проколе трубы время самотечного режима при сливе нефтепродукта через аварийное отверстие после закрытия задвижки определяется временем опорожнения аварийного трубопровода и составляет, исходя из практики проведения аварийно-восстановительных работ, 120 мин. (время на принятие адекватного решения в чрезвычайной ситуации + время на дорогу +время на устранение течи);
• при реализации сценариев "А" и "Б" рассматриваются порывы трубопровода в результате внешних воздействий природного или техногенного характера с условным диаметром аварийного отверстия равным внутреннему диаметру рассматриваемого трубопровода (разрыв гильотинного типа);
• при реализации сценариев "В" и "Г", как следствие прокола трубы, постулируется утечка

       нефти через продольную трещину в стенке трубопровода коррозионного, усталостного или технологического происхождения с линейным размером L, равным 0,3÷ 0,75 калибра и ширине раскрытия L/8, что соответствует эквивалентному диаметру 10÷ 30 мм, в зависимости от калибра трубы.

       Используя описанную выше методику расчета аварийного вылива однофазной жидкости из

       разгерметизировавшегося трубопровода и принятые допущения  были получены матрицы распре-

       деления масс аварийных  разливов   нефти , приведенные для рассматриваемых участков трассы в

       табл.1, табл. 2. 
 
 
 

       

       

 

                                                                                                                                                 Таблица 2

       

2. Оценка  массы  возможных  аварийных  разливов  в резервуарном парке и наливной эстакаде

       Данные  о  разливе   нефти  в резервуарном парке и на пункте налива автоцистерн приведены в табл. 3.

3.   Определение линейных  размеров и площади  зеркала

       аварийных  разливов  и времени гравитационного

       растекания   нефти 

         Применяемые физико-математические модели и методы расчета линейных размеров и площади зеркала аварийных  разливов   нефти  при аварии трубопроводе.

         Растекание горючих жидкостей зависит от таких факторов, как расход, продолжительность истечения, вязкость и т.п.

       Характерный размер растекания горючих жидкостей на стандартной поверхности выражается произведением степенных функций критерия Галилея и критерия гомохронности:

       

       где L - характерный размер растекания жидкости; l - определяющий размер; А - постоянная вели-

       чина; Ga = gl

       3/2 - критерий Галилея (g - ускорение свободного падения; - кинематическая вязкость жидкости); Но = g 2/l - преобразованный критерий гомохронности ( продолжительностьистечения); m и n - показатели степени, учитывающие условия растекания нефти.

       Для оценки размера зеркала разлития (пятна) нефти на подстилающей поверхности  в данной работе использованы исследования, проведенные В.Ч. Реуттом /8/ при 103≤ Ga ≤ 6107 и

       1,5103 ≤ Но ≤ 4108, устанавливающие зависимость характерного размера растекания от продолжительности, вязкости, объема и расхода вытекающей при аварии горючей жидкости, а такжеструктуры подстилающей поверхности. Эта зависимость для непрерывного истечения описывается следующим уравнением: 
 

         

       где Квл - коэффициент влияния структуры  поверхности на растекание огнеопасных жидкостей; М

       - масса аварийного вылива жидкости; q - массовый расход жидкости через  аварийное отверстие.

       Форму площади растекания потока жидкости, необходимую для определения  границ зоны разлива  на прилегающей к продуктопроводу территории, определяли, исходя из следующих соображений /8,9/. Для неограниченных территорий с уклоном рельефа местности до 1% площадь растекания определяется площадью приведенного круга с радиусом Lр. Для неограниченных территорий с уклоном от 1% до 3% площадь растекания соответствует площади эллипса с отношением длины большой оси Х к малой Y в пределах 1,5÷ 3,5 (исходя из условия равенства площадей приведенного круга с радиусом Lр и эллипса с осями X и Y). Точка разгерметизации трубопровода расположена в одном из фокусов эллипса, а вектор потока жидкости направлен в сторону уклона местности по большой оси. Для неограниченных территорий с уклоном более 3% площадь  разлива имеет площадь вытянутого эллипса с отношением осей в пределах 3,5÷ 5. Для территорий ограниченных, относительно продольной оси прокладки трубопровода, естественными или искусственными боковыми препятствиями для растекания жидкости (при X/Y>5), малая ось эллипса определяется реальным расстоянием между данными препятствиями. При этом большая ось эллипса рассчитывается по величине малой оси и величине ожидаемой площади  разлива   нефти  Sp = f(Lp) с учетом продолжительности, вязкости, расхода вытекающей при аварии  нефти , а также условий растекания и структуры подстилающей поверхности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Определение времени гравитационного  растекания нефти Скорость гравитационного растекания цилиндрического слоя жидкости определяется из уравнения материального баланса

       

 

       где Gр() -интенсивность аварийного истечения; Sp() - текущая поверхность разлития;

       - плотность жидкости; hпл() и hmin - текущая и минимальная (по условиям сплошности) толщина пленки;

       - время гравитационного растекания  жидкости; LP - максимальный линейный размер поверхности разлития.

       Результаты  расчетов приведены в табл.4 и 5. 

 

       

       

       Анализ  профиля местности, показал, что  нефть  при аварийных  разливах  будет растекаться в западном и северо-западном направлениях от места порыва трубы.

       Применяемые физико-математические модели и методы расчета  линейных размеров и площади зеркала аварийных  разливов   нефти  при аварии в резервуарных парках.

       При оценке количества опасного вещества, участвующего в аварии в резервуарных парках, рассматривались случаи квазимгновенного раскрытия резервуара с полным выбросом содержимого в окружающую среду. На уровне инженерной оценки времени растекания горящей  нефти  будем исходить из предположения, что цилиндрический слой жидкости, образовавшийся в результате квазимгновенного разрушения резервуара, растекается под действием только гравитационных сил, рис.5.

       

       Рис. 5. Принцип расчета гравитационного  растекания цилиндрического слоя жидкости 

       Запишем уравнение материального баланса  для скорости гравитационного растекания цилиндрического слоя жидкости:

       

       где dR/dt - скорость растекания цилиндрического слоя жидкости; g - ускорение свободного па-

       дения; h(t) и hmin - текущая и минимальная толщина слоя жидкости.

       Текущая толщина слоя h(t) для данного объема растекающейся жидкости зависит  от массы вещества участвующего в аварии, его плотности при заданной температуре, текущего значения площади зеркала  разлива  и определяется выражением: