5 ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение безопасности населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера является одной из приоритетных задач общества вообще, а среди техногенных ЧС, в частности, наиболее опасными являются пожары и взрывы в хранилищах нефти, связанные с переработкой нефти и выбросами паровоздушных смесей (ПВС) в атмосферу при многочисленных «перевалках» жидкого углеводородного топлива.
С момента добычи до непосредственного использования нефтепродукты подвергаются более чем 20 «перевалкам», при этом 75 % потерь происходит от испарений. Ежегодные выбросы углеводородов в атмосферу при добыче и переработке нефти в стране оцениваются величиной 1168 тыс. т.
Особую проблему для крупных городов представляют выбросы паров топлива на нефтебазах и автозаправочных станциях (АЗС) при заправках резервуаров — так называемые «большие дыхания». Годовые потери нефтепродуктов от «больших дыханий» составляют по нефтеперерабатывающей отрасли России примерно 270 тыс. т, в том числе более 140 тыс. т на автозаправочных станциях. Кроме того, взрывы ПВС на АЗС и хранилищах в России часто приводили к разрушениям зданий и поражению людей.
Выбросы ПВС при «больших дыханиях» приводят, с одной стороны, к увеличению взрывопожарной и экологической опасности АЗС и нефтебаз для городского населения, с другой стороны, - к экономическому ущербу из-за потерь паров углеводородного топлива. Известные устройства по сокращению потерь топлива от испарения (плавающие крыши, понтоны, газоуравнительные системы и др.) применимы для крупных резервуаров. Они, как правило, не могут эффективно использоваться на небольших емкостях и в условиях АЗС. Поэтому задача сокращения выбросов паров топлива на АЗС и повышения безопасности АЗС актуальна и сегодня.
Из-за отсутствия эффективных технологий снижения выбросов паров в атмосферу при хранении топлива на АЗС и хранилищах высока опасность пожаров и взрывов ПВС при «больших дыханиях» емкостей на АЗС и хранили-
6
щах. В связи с этим актуальной является разработка технологии, снижающей выбросы ПВС и повышающей безопасность АЗС и нефтебаз при хранении жидкого углеводородного топлива.
Другой не менее важной проблемой в обеспечении безопасности хранения жидкого углеводородного топлива является своевременное диагностика и оценка безопасного состояния оборудования (резервуары и трубопроводы).
В период 50-70 гг. развитие экономики страны шло по экстенсивному пути. Экономическое благополучие поддерживалось за счет экспорта энергоносителей, в первую очередь нефти и газа. Кроме того, развитие отечественной промышленности предусматривало повышение эффективности использования нефти, дальнейшее увеличение и углубление ее переработки. Все это требовало постоянного наращивания объемов добычи нефти, что в свою очередь вызвало соответствующий рост аппаратостроения, в частности резервуаростроения.
Одним из распространенных типов нефтегазохимического оборудования являются стальные вертикальные резервуары, предназначенные для хранения нефти, различных нефтепродуктов и других жидкостей, отличающихся друг от друга плотностью, испаряемостью, коррозионной активностью, другими специфическими свойствами, проектируемые, изготовляемые и эксплуатируемые в соответствии с нормативно - технической документацией, применяемой для сосудов, аппаратов и трубопроводов различного назначения.
В настоящее время в стране эксплуатируется более половины парка оборудования со сроком службы более 20 лет. Техническое состояние оборудования, находящегося столь длительное время в эксплуатации ухудшается вследствие протекания процессов коррозии, старения и усталости металла. Вместе с тем для этого оборудования увеличивается вероятность
7
его катастрофического разрушения. В связи с этим встает вопрос о возможности дальнейшей безопасной эксплуатации данного оборудования.
Для решения этой задачи требуется проведение комплекса работ по технической диагностике и оценке остаточного ресурса нефтехимического оборудования на основе современных методов расчета, учитывая последние достижения в области материаловедения и механики разрушения.
К настоящему времени предприятия нефтегазового комплекса накопили значительный опыт диагностики эксплуатируемого оборудования с использованием различных методов контроля: визуальный осмотр, радиография, ультразвуковая дефектоскопия и толщинометрия, расчетные методы и др. Эти методы позволяют лишь обнаруживать опасные объемные дефекты: трещины, поры, непровары. Но ни один из них, ни их совокупность не дают оценку остаточного ресурса конструкции.
Известно, что эксплуатация резервуаров происходит в условиях статических и малоцикловых нагрузок. В настоящее время накоплены большие экспериментальные данные по эволюции дислокационной структуры в металлических материалах в процессе как знакопеременной, так и монотонной пластической деформации. Установлены качественные различия дислокационных структур, образующихся при увеличении степени пластической деформации: разрозненные дислокационные скопления, устойчивые полосы скольжения, ячеистая и фрагментированная (кристаллит разбит на микрообласти, разориентированные на углы порядка нескольких градусов) структуры. При этом изменяются и физико - механические свойства. В сталях, например, снижается порог хладноломкости, происходит распад цементита, выделение частиц карбидов и нитридов на дислокациях, а также наблюдается перераспределение атомов углерода и азота вокруг винтовых дислокаций в феррите. Следует отметить также, что на изменение механических свойств оказывает заметное влияние и структура границ зерен. Однако, прак-
8
тически отсутствуют экспериментальные данные взаимосвязи дислокационной структуры и ее количественных характеристик (плотность дислокаций, размер ячеек, микрофрагментов, спектр разориентировок границ) с процессами развития трещин, и, в конечном итоге, с характером разрушения, в частности, механохимического разрушения и деформационного старения.
Таким образом, кратко резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что микроструктура стали, ее формирование, изменение под действием эксплуатационных нагрузок и влияние на механические свойства и характер механохимического разрушения материала и деформационное старение при оценки остаточного ресурса не учитываются, следовательно, на сегодняшний день актуальной задачей является задача разработки метода оценки остаточного ресурса резервуаров на основании анализа структуры металла, механохимической повреждаемости, старения и неоднородности свойств.
Все сказанное выше предопределило постановку основной цели и задач настоящей работы.
Цель работы - обеспечение безопасности хранения нефтепродуктов созданной новой технологией улавливания их легких фракций и нормированием ресурса безопасной эксплуатацией соответствующего оборудования (резервуаров и трубопроводов).
Основные задачи:
• разработка и научное обоснование технологии улавливания легких фракций жидкого углеводородного топлива;
• оценка эффективности разрабатываемой технологии улавливания легких фракций углеводородов по критериям риска;
• разработка научных основ нормирования характеристик безопасности оборудования для хранения жидкого углеводородного топлива по критериям работоспособности;
9
• создание нормативной базы по нормированию характеристик безопасности оборудования для хранения жидкого углеводородного топлива.
10
1 ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ХРАНЕНИИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА
Экономические преобразования, произошедшие в последнее десятилетие в России, привели к кардинальным переменам на товарном рынке. На фоне бурного роста парка автомобилей в несколько раз возросло число АЗС, а также полностью изменилось их качество. Пропускная способность сегодняшней сети АЗС в несколько раз выше уровня 90-х годов. Все более жесткие требования предъявляются как к эксплуатационным материалам (жидкому углеводородному топливу), так и к условиям эксплуатации.
Одной из главных проблем современности становится экологическая и взрывопожарная безопасность. Особенно важна она для крупных городов и промышленных центров.
Сегодня в городах России проживают 109,2 млн человек, или 74 % населения страны. Из них более 50 млн человек - в городах с высоким уровнем загрязнения природной среды. В число приоритетных направлений улучшения экологической обстановки городов и повышения безопасности входит снижение опасных выбросов, в том числе от АЗС и хранилищ жидкого углеводородного топлива.
Задача повышения безопасности населения при хранении в черте города жидкого углеводородного топлива может быть решена путем создания новой технологии, обеспечивающей снижение выбросов паров при хранении, и разработки методики оценки ее эффективности на основе показателей риска.
Применяемые в настоящее время способы сокращения потерь бензинов от испарения в условиях АЗС либо неприменимы (понтоны), либо малоэффективны (диски — отражатели, газоуравнительные системы), либо сложны с технической точки зрения и, соответственно, дорогостоящи, некоторые из них взрывопожароопасны.
В результате анализа существующих способов снижения выбросов паров при хранении топлива сформулирована гипотеза о том, что способ УЛФ из ПВС на основе обратной конденсации является эффективным для условий хра-
11
нения топлива на АЗС и хранилищах, но он мало исследован. Для проверки гипотезы целесообразно провести теоретические и экспериментальные исследования по разработке технологии реализации способа в условиях АЗС и проверке его эффективности.
Исследованию конденсационных способов улавливания паров посвящены работы отечественных ученых A.M. Архарова, А.И. Гриценко, А.А. Коршака, И.С. Бронштейна и др.
Работы по созданию показателей оценки безопасности и рисков от аварий особенно интенсивно проводились в последние 10 лет. Проблемами технических и природных рисков занимались Н.А. Махутов, Г.Л. Кофф, В.А. Котлярев-ский, В.А. Измалков, А.Л. Рагозин, К.А. Козлов, В.А. Акимов, В.И. Ларионов, Г.Э. Одишария, А.А. Швыряев, B.C. Сафонов, А.Н. Елохин, М.В. Лисанов, А.Н. Черноплеков и др.
Среди иностранных ученых, работавших в области промышленной безопасности и рисков, следует отметить В. Маршалла, У. Байкера,. Броссара и др.
Ниже рассматриваются вопросы применения различных технических средств, обеспечивающих сокращение потерь жидкого углеводородного топлива от испарения из резервуаров.
1.1 Источники нарушения безопасности при хранении жидкого углеводородного топлива
Потери жидкого углеводородного топлива, имеющие место при их транспортировке, хранении, приеме и отпуске (по разным оценкам, на пути следования жидких углеводородов от скважин до баков машин потери составляют от 3 до 5 %), условно можно разделить на три группы: естественные, эксплуатационные и аварийные.
К естественным относятся потери, связанные, с одной стороны, с изменениями физико-химических свойств жидкого углеводородного топлива в зависимости от метеорологических факторов, и, с другой стороны с несовершенством традиционных способов и устройств предотвращения потерь паров жид-
12
кого углеводородного топлива при перевалках, т. е при приеме-отпуске, хранении и транспортировке.
Одним из основных источников естественной убыли жидкого углеводородного топлива, например, бензина, являются его потери от испарения из резервуаров при «больших и малых дыханиях». «Большие дыхания» имеют место при операциях заполнения резервуаров. Приближенную оценку их величины можно получить по формуле
Gea = РуСуV / 100, кг, где ру - плотность паров бензина, кг/м3;
су - концентрация в бензиновоздушной смеси (БВС), % об.;
V - объем ПВС, выбрасываемой в атмосферу при «больших дыханиях», м3.
Плотность паров бензина составляет от 2,5 до 3,8 кг/м3. Примем ру= 3 кг/м3. Среднюю концентрацию углеводородов в БВС в весенне-летний период можно принять равной 25 % (су= 0.25). Таким образом, при вытеснении из резервуара ПВС в объеме V = 1000 м3 общая масса выброса паров бензина составит:
Gai= 3-0,25-1000 = 750 кг
или 0,75 кг бензина с каждым кубометром БВС.
Поскольку в осенне-зимний период удельные потери примерно в три раза меньше, то среднегодовые потери бензина можно оценить приближенно величиной 0,5 кг на 1 м3 БВС.
Сегодня резервуары нефтебаз РФ под автомобильные бензины составляет около 6 млн м3. Коэффициент ее оборачиваемости равняется 4,4 год"1 [196]. Нетрудно подсчитать, что если эти резервуары не оснащены средствами сокращения потерь (а так оно, в основном, и есть), общее количество бензина, которое поступило из них в атмосферу за год, составило порядка 13200 т.
Другой вид потерь от испарения из резервуаров - это потери от «малых дыханий», возникающих в результате суточного изменения температуры в га-
13
зовом пространстве (ГП) резервуаров под воздействием солнечной радиации и колебаний атмосферного давления.
Расчеты показывают, что в весенне-летний период из резервуара РВС-5000 в атмосферу уходит 100-150 кг бензина или 20-Ю"3 - 30-Ю'3 кг на кубометр емкости резервуара в сутки. Примем, что среднегодовые потери от «малых дыханий» составляют 5-10'3 кг/сут на 1м3 емкости резервуара. Тогда общие потери бензина от «малых дыханий» из резервуаров нефтебаз составляют порядка 10000 т, т.е. почти равны потерям бензина «больших дыханий». Такой неожиданный результат легко объясним. Единичные потери от «больших дыханий» велики, но они бывают относительно редко, тогда как потери от «малых» происходят постоянно.
В целом общая масса выбросов паров бензина только из резервуаров нефтебаз России может быть оценена в 25 000 - 50 000 т в год.
Положение усугубляется тем, что в результате интенсивного градостроительства в России, особенно за последние 20-30 лет, около 500 нефтебаз находятся в черте городской застройки [197]: 321 нефтебаза находится в промышленных районах, 119 нефтебаз - в промышленно-жилых районах и 54 нефтебазы - в жилых районах или центре городов.
При этом 38,4 % нефтебаз расположены в непосредственной близости или с нарушением нормативных расстояний до соседних жилых домов или общественных зданий. В городских промышленных зонах более 1/3 всех нефтебаз граничат с различными цехами заводов, фабрик, комбинатов и т.д. Более 20 % нефтебаз расположены в центральных районах рядом с железнодорожными вокзалами.
Эксплуатационные потери жидкого углеводородного топлива связаны с утечками, проливом, неполным сливом, смешиванием, подтеканием, переполнением и нарушением герметичности емкостей. Они происходят из-за неудовлетворительного технического состояния емкостей хранения, средств транспортирования, оборудования складов и нефтебаз, трубопроводов, средств перекачки и заправки, их несвоевременного ремонта, а также от смешения различ-
14
ных сортов жидкого углеводородного топлива при неправильном выполнении операций по приему и выдаче.
Данные о потерях жидкого топлива на АЗС приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1— Сверхнормативные потери жидкого углеводородного топлива на АЗС
Источник потерь Ед. изм. Количество
При заправке (отпуске)
Разлив топлива при заправке ведрами кг/маш. в год 200
То же при отсутствии топливораздаточной колонки % отпуска 1 -2
Разлив топлива при переполнении бака машины кг/заправку % заправки 2-3 0,1 - 0,2
Утечка топлива при неплотном соединении средств заправки (насосов) т/год % заправки 1-2 0,1-0,3
Утечка топлива при эксплуатации неисправной топливораздаточной колонки т/год на колонку 1,0
Разлив автобензина при заправке неисправными шлангами без раздаточного крана кг/операцию % заправки 1-2 0,4-0,65
Разлив автобензина при заправке с раздаточным краном без клапана % заправки 0,18-0,2
Общие потери жидкого углеводородного топлива при несоблюдении правил заправки топливом % заправки 1,5
Потери жидкого углеводородного топлива при нерегулярном проведении технического обслуживания и ремонта оборудования: дизельное топливо автобензин % расхода 2,0-2,5 3,0-3,5
Эксплуатационные потери, в отличие от естественной убыли, могут быть полностью исключены.
Аварийные потери возникают вследствие повреждения резервуаров, трубопроводов и оборудования в результате каких-либо непредвиденных ситуаций.
15
Поскольку на всех объектах отрасли производится планомерная работа по предотвращению аварий, то вклад этого вида потерь в их общую величину относительно невелик.
Независимо от вида потерь жидких углеводородов, в конечном итоге они оказываются в атмосфере, что отрицательным образом сказывается на окружающей среде и, особенно, на здоровье людей.
Высокая концентрация углеводородов в воздухе вызывает повышенную заболеваемость органов дыхания, функциональные изменения в центральной нервной системе. Наблюдаются замедление пульса, нарушение желудочной секреции, признаки поражения печени, повышенное содержание холестерина в крови. При концентрации углеводородов в воздухе
60-300 мг/м в крови происходит снижение содержания гемоглобина и эритроцитов. При концентрации углеводородов 300-500 мг/м3 отмечаются снижение обоняния и возбудимость нервной системы, головная боль, слабость, учащенное сердцебиение [91].
Бензол, содержащийся в автомобильном бензине, очень быстро абсорбируется человеческим организмом при вдыхании. 50 % бензола вступает в реакции обмена с образованием фенола и других продуктов, вредных для здоровья человека.
Даже очень кратковременное воздействие бензола, но в высоких концентрациях, может вызвать слепоту и потерю сознания. А повторное или длительное воздействие приводит к нарушению деятельности кроветворных тканей костного мозга, возникновению анемии и раковых заболеваний. Такие случаи отмечались, например, при изготовлении прорезиненной обуви и одежды, где бензол используется как растворитель. Работники этих производств подвергались длительному воздействию бензола при концентрации 0,01 %.
По данным Европейской организации нефтяных компаний по охране окружающей среды и здоровья «Concawe», профессиональные работники подвергаются значительному риску заболевания лейкемией при длительном вдыхании воздуха с концентрацией бензола 0,005 % - вдвое меньшей.
16
Функциональные нарушения деятельности нервной системы наблюдаются у рабочих со стажем работы 5-10 лет. Нарушения сводятся к головной боли, расстройству сна, утомляемости, раздражительности, головокружению, боли в области сердца.
В одном из рабочих документов Европейской комиссии отмечается, что пары органических соединений, к которым относятся и углеводороды, участвуют в фотохимических реакциях, ведущих к образованию озона, который вредно влияет на здоровье людей, состояние лесов и урожая, а также вызывает «парниковый эффект».
Таким образом, сокращение всех видов потерь жидкого углеводородного топлива является актуальной задачей не только с экономической, но и, что не менее важно, с экологической точки зрения. Сокращение выбросов паров жидкого топлива при хранении на АЗС и хранилищах является актуальной задачей, направленной на повышение безопасности населения.
1.2 Обеспечение безопасности эксплуатации оборудования для хранения жидкого углеводородного топлива
Выбросы паров углеводородных топлив в атмосферу при испарении нефтепродуктов из резервуаров весьма велики. Это приводит не только к потерям топлив, но также отрицательно сказывается на здоровье населения. Особую тревогу как источник углеводородных выбросов вызывают резервуары нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, а также нефтебаз и АЗС, нередко расположенных в городской черте.
Согласно действующим нормативным документам, все вновь построенные емкости, а также все резервуары после капитального ремонта должны быть оборудованы средствами сокращения потерь от испарения. В этой связи возникает вопрос о выборе средств, уменьшающих выбросы углеводородов в атмосферу.
Сложившиеся на сегодня представления об эффективности традиционных средств сокращения потерь жидкого углеводородного топлива (дисков — отража-
17
телей, газоуравнительных систем, понтонов) не в полной мере соответствуют действительности. Прежде всего, ни одно из названных средств не имеет раз и навсегда зафиксированного показателя сокращения потерь. Его величина зависит от индивидуальных характеристик самого средства сокращения потерь, а также от параметров и режима эксплуатации резервуара.
Большой интерес представляют системы улавливания легких фракций. Их достоинством являются возможность использования в резервуарах с несовершенной геометрической формой (что характерно для нашей страны), более полное использование вместимости и более высокая ремонтопригодность резервуаров. Благодаря высокой концентрации углеводородов в ГП резервуара, оборудованного системой УЛФ, он взрывобезопаснее резервуара с понтоном; облегчается ведение работ по вентиляции и зачистке емкостей, а также предотвращается возникновение отказов, связанных с затоплением либо зависанием понтонов или поломкой опорных стоек.
Повышение безопасности при хранении, загрузке и выгрузке .-жидкого углеводородного топлива
Потери горючего от смешения и утечек из резервуаров, от неполного слива автомобильных цистерн, обводнения, зачистки, а также вследствие аварий, разливов, разбрызгивания и испарения наносят огромный ущерб экономике страны, приводят к затратам общественного труда и снижению эффективности производства. Кроме того, потери горючего при авариях, разливах и утечках загрязняют почву, грунтовые воды и водоемы. Многократные перевалки и хранение нефтепродуктов в резервуарах ведут к потерям от испарения и ухудшению их качества, а также к образованию взрывопожароопасных облаков ПВС.
Как уже отмечалось, ущерб, наносимый потерями топлива, определяется не только их стоимостью, но и загрязнением окружающей среды. Поэтому сокращение потерь топлива на каждом этапе его доставки от нефтеперерабатывающих заводов до баков машин является сложной и актуальной задачей. |
