Проблемы обеспечения пожарной безопасности резервуаров с защитной стенкой

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РЕЗЕРВУАРОВ С ЗАЩИТНОЙ СТЕНКОЙ

Ф.В. Демёхин, доктор технических наук; А.А. Цой.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Проведен анализ нормативной документации в области обеспечения пожарной безопасности резервуаров с защитной стенкой, выявлены основные проблемы, определены направления исследования в данной области.

Ключевые слова: резервуар с защитной стенкой, резервуар типа «стакан в стакане», пожарная безопасность резервуаров

PROBLEMS OF FIRE SAFETY OF TANKS WITH A PROTECTIVE WALL F.V. Demehin; A.A. Tsoy.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

We analyzed the regulatory documentation in the field of FIRE SAFETY of tanks with a protective wall, revealed basic problems, identified areas of research in this sphere.

Keywords: tank with a protective wall, tank of type «glass in glass», fire safety tanks

Повышение пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса является одной из важнейших составных частей обеспечения защиты населения от угроз техногенного характера. Пожары и взрывы на таких объектах опасны не только человеческими потерями, но и большими экономическими затратами, связанными с ликвидацией последствий разрушений и восстановлением работоспособности предприятий, которые приводят как к прямому, так и к косвенному ущербу.

Анализ статистических данных аварий и пожаров на этих объектах показал, что наиболее опасная ситуация возникает при полном разрушении вертикального стального резервуара (РВС). Образующийся мощный поток жидкости волна прорыва часто разрушает нормативные обвалования и выходит за пределы территории объекта, приводя к катастрофическим последствиям. Площадь разлива нефтепродуктов достигает сотен тысяч квадратных метров [1].

Основными сооружениями по ограничению разлива нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках являются земляные обвалования и ограждающие стены из негорючих материалов, расчет которых производится только на гидростатическое давление разлившейся жидкости [2]. Анализ последствий разрушений РВС показал, что такие преграды не способны удержать волну прорыва, что неоднократно приводило к чрезвычайной ситуации [3].

Одним из способов ограничения розлива нефти является применение резервуаров с защитной стенкой типа «стакан в стакане» (рис. 1).

Однако как следует из нормативных требований, расчет устойчивости второй стенки производится только на гидростатическое давление, что и обуславливает ее неэффективность противостоять потоку жидкости при квазимгновенном разрушении основного резервуара [3].

Анализ литературы, проведенный в рамках диссертационных исследований [1, 3, 4], показывает на отсутствие подобных исследований и рассматривает только вопросы обеспечения нормативными документами в области проектирования, изготовления

и монтажа стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов, а также эффективность действия дополнительных преград для снижения пожарной опасности разлива нефти и нефтепродуктов в случае разрушения резервуара, таких как дополнительная стенка с отбойным козырьком. Интересно поведение дополнительной защитной стенки резервуара типа «стакан в стакане» в случае теплового воздействия пожара, ее устойчивость и способы тушения в межстенном пространстве.

Проведенный анализ нормативных документов в области обеспечения пожарной безопасности и строительства резервуаров с защитной стенкой показал, что единых государственных стандартов в данной области, фактически, нет. Поэтому основу нормативной документации составляют отраслевые нормативные документы уровня стандартов организаций (СТО, СО, рекомендации, руководства). При этом многие из них противоречат друг другу. Например, согласно ГОСТу 31385-2008 [5], СТО-СА-ОЗ-002-2009 [6] и Руководству по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов, ширина межстенного пространства должна быть не менее 1,8 м, тогда как по Правилам технической эксплуатации резервуаров (АО «НК «Роснефть») она составляет не менее 1,5 м (в зарубежных стандартах она также равна 1,5 м) [7, 8].

Требования действующих нормативно-правовых документов к противопожарной защите резервуаров «простых» РВС не учитывают характеристики и особенности резервуаров с защитной стенкой, физико-химические свойства, различные параметры горения хранимых видов нефтепродуктов и конструкционные особенности.

На данный момент единственным документом, учитывающим специфику расположения устройств пожаротушения и охлаждения для резервуаров с защитной стенкой, является стандарт организации «Ростехэкспертиза» СТО-СА-03-002-2009 с изменениями и дополнениями от 2010 г. (ИД-2010) [6].

Рис. 1. Строительство резервуаров с защитной стенкой на территории ООО «РН-Туапсинский НПЗ»

Резервуары с защитной стенкой типа «стакан в стакане» используются на производственных площадках, где нет возможности устройства обвалования резервуарного парка. Также резервуары с защитной стенкой строятся вблизи водоемов

35

и жилых поселений для обеспечения безопасности окружающей среды и населения. Наличие защитной стенки вокруг основного вертикального цилиндрического резервуара позволяет избежать утечек нефтепродукта при разгерметизации такого резервуара. Аварийно вытекший нефтепродукт окажется не на территории склада (в обваловании), а в кольцевом зазоре, что значительно снизит площадь его испарения и позволит избежать значительных экологических и материальных проблем - нефтепродукт не окажется загрязнённым и может быть перекачан в другую ёмкость [9].

Наличие защитной стенки позволяет либо сократить площадь обвалования (маловероятно, чтобы нефтепродукт, вытекший в зазор, смог бы вытечь ещё и в обвалование), либо вообще избавиться от него. Это, в свою очередь, позволит сократить расстояния между такими резервуарами и/или группами резервуаров, что даст возможность уменьшить общую площадь парков со всеми последующими выгодами.

Рассмотрим конструкцию резервуаров с защитной стенкой (рис. 2). Основной особенностью конструкции резервуаров с защитной стенкой (РВСЗС) является то, что они состоят из основного (внутреннего) резервуара, предназначенного для хранения продукта, и защитного (наружного) - предназначенного для удержания продукта в случае аварии или нарушения герметичности основного резервуара. Защитный резервуар выполняется в виде открытого «стакана», в котором установлен основной резервуар - отсюда берется бытовое название «стакан в стакане». Основной резервуар может выполняться со стационарной крышей или с плавающей крышей.

Высота стенки защитного резервуара должна составлять не менее 80 % от высоты стенки основного резервуара. Диаметр защитного резервуара должен назначаться таким образом, чтобы в случае повреждения внутреннего резервуара и перетекания части продукта в защитный резервуар, уровень продукта был на 1 м ниже верха стенки защитного резервуара. При этом ширина межстенного пространства должна быть не менее 1,5 м.

Рис. 2. Схема резервуара с защитной стенкой: 1 - крыша; 2 - основная стенка; 3 - защитная стенка; 4 - конструкция защиты; 5 - круговая

площадка с ограждением на крыше; 6 - внутренняя лестница; 7 - круговая площадка с ограждением по кольцу жесткости; 8 - наружная лестница; 9 - кольцо жесткости защитной стенки; 10 - люки и патрубки в крыше; 11 - люки и патрубки в стенке; 12 - центральная часть днища; 13 - окрайка днища; 14 - ЗУМПФ; 15 - площадка и стремянка пеногенератора

Особое внимание уделяется доступу в межстенное пространство (рис. 3), которое осуществляется через люки-лазы, расположенные соосно с люками-лазами основного резервуара. Для обслуживания оборудования, расположенного на крыше основного резервуара, используется винтовая лестница. Через переходные площадки обеспечивается доступ на кровлю основного резервуара [8].

Рис. 3. Межстенное пространство в резервуаре с защитной стенкой

Преимуществами данных видов резервуаров являются:

- сокращение пространства всего резервуарного парка, за счет отсутствия обвалования;

- экологичность - в случае разгерметизации основного резервуара, нефтепродукты не попадают в почву;

- при разгерметизации основного резервуара исключается пожар пролива, испарение и образование топливно-воздушной смеси (ТВС), в отличие от возможного сценария развития обыкновенных РВС (рис. 4).

Тем не менее как и обычные резервуары типа РВС, РВСЗС подвержены риску разгерметизации и возгорания. Пожарная опасность таких РВС при эксплуатации увеличивается, что обусловлено высокой вероятностью образования взрывоопасных концентраций в межстенном пространстве, а также неэффективностью защитной стальной стенки противостоять высоким тепловым нагрузкам при пожаре в РВС и, тем более, в межстенном пространстве.

Вероятность образования горючей среды в межстенном пространстве увеличивается за счет возможности разгерметизации основного резервуара даже при нормальных условиях работы (коррозия и эрозия, гидродинамический удар в сейсмически опасных районах, температурные воздействия, возникающие в результате температурных перенапряжений в конструкции резервуаров, а также из-за снижения механической прочности материала резервуаров при воздействии низких температур (-30 °С и ниже), переполнения резервуаров).

Также возникают определенные сложности в обустройстве систем пожаротушения, их обслуживании и проведении ремонтных работ данных резервуаров.

Таким образом, данная конструкция резервуаров обладает следующим рядом недостатков:

- возможная загазованность межстенного пространства;

- выполнение функционального назначения защитной стенки при возможном пожаре. Защитная стенка не предотвращает лавинообразного разрушения стенки рабочего резервуара и раскрытия его стенок, а также защиту обслуживающего персонала. В п. 5.1.11.4 ГОСТа 31385-2009 указывается на необходимость применения конструктивных мероприятий для предотвращения данного недостатка, однако какие именно мероприятия необходимо проводить не указано. Такими мероприятиями могут служить применение конструкций опоясывающих элементов или обматывание резервуара металлическим канатом, что, естественно, требует дополнительных расчетов и не является стопроцентной гарантией защиты;

- сложность обслуживания аппаратуры, расположенной в межстенном пространстве;

- трудность проведения диагностики целостности резервуаров - периодические осмотры стенки резервуара затруднены из-за наличия теплоизоляции, требуют опорожнения резервуара или снятия теплоизоляции;

- неконтролируемое вытекание продукта из резервуара за пределы защитной стенки, в случае неисправности коренной запорной арматуры в связи с ее частой установкой за пределами защитной стенки;

- недостаточная жесткость межстенного пространства резервуара в сейсмических районах, вызывающая возможность опрокидывания основного резервуара и требующая его анкеровки при строительстве. Однако анкеровка основного резервуара приводит к нарушению герметичности защитного днища в межстенном пространстве при сейсмическом воздействии и в отдельных случаях при сильном сейсмическом воздействии может оказаться недостаточной для обеспечения жесткости межстенного пространства резервуара;

- плохая герметичность емкостей в местах прохождения укрепляющих «якорей» через дно между основным и защитным резервуаром;

- высокая стоимость емкостей (с учетом дополнительных затрат на защитную оболочку).

Проведенные исследования по анализу различных сценариев развития аварийных ситуаций [10] показывают, что для резервуаров с защитной стенкой требуется усиление самой защитной стенки и в ряде случаев усиление внутренней оболочки (рис. 4).

Рис. 4. Сценарий развития аварии в случае разгерметизации основной стенки резервуара типа

«стакан в стакане»

Разгерметизация основного резервуара

Истечение продукта в межстенное пространство

К такому выводу специалисты пришли в результате многочисленных расчетов, моделирующих процесс разрушения стенки рабочего объема и истечение продукта в межстенное пространство [10]. Отсюда вытекает проблема своевременного обнаружения щелей и трещин в корпусе основного резервуара, а также обнаружения образования горючей паровоздушной среды в межстенном пространстве. В частности, рекомендуется производить усиление основной стенки РВС высокопрочными тросами и подкреплять кольцами жесткости защитную стенку, однако для внедрения на практике таких конструктивных решений необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований.

Чтобы исключить возможность образования в межстенном пространстве резервуаров взрывоопасной смеси с воздухом, в случае разгерметизации стенок внутренних резервуаров и трубопроводов, многие специалисты предлагают проводить флегматизацию паровоздушного пространства путем введения в него негорючих (инертных) газов. Негорючие газы (азот, диоксид углерода, водяной пар, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и др.) снижают парциальную концентрацию кислорода в смеси, сужая пределы воспламенения. Кроме того, обладая определенной теплоемкостью, они способны отнимать часть тепла, которое пошло бы на нагрев исходной горючей смеси. Поэтому эффективность действия инертного компонента тем сильнее, чем выше его теплоемкость. При введении достаточного количества инертного газа в горючую смесь воспламенение ее становится невозможным. Однако применение азота в качестве флегматизатора существенно усложняет и удорожает процесс, требуя дополнительного оборудования для его хранения и перекачки, а также применение газоуравнительной системы, по которой возможный пожар может распространяться на соседние резервуары даже при применении огнепреградителей.

В случае разгерметизации основного резервуара необходимо решить вопросы:

- оценки возможности образования горючей смеси в межстенном пространстве и ее обнаружения;

- устойчивости защитной стенки при пожаре;

- способы тушения пожара в межстенном пространстве, в случае его возникновения;

- необходимость охлаждения защитной стенки и соседних резервуаров;

- очистки межстенного пространства от вышедшего нефтепродукта и очистки самого нефтепродукта от атмосферных остатков и грязи, скопившихся на дне межстенного пространства.

Таким образом, вопрос о пожарной безопасности применения РВСЗС остается открытым. Проблема обеспечения пожарной безопасности данных типов резервуаров в условиях чрезвычайных техногенных ситуаций имеет не только техническую, но и научную актуальность, которая заключена в отсутствии современной и окончательно сформированной методологии достоверной оценки фактического и прогнозируемого уровней их опасности, и вследствие этого в отсутствии норм, гарантирующих обеспечение нормативного уровня пожарной безопасности.

Литература

1. Швырков С.А. Обеспечение пожарной безопасности нефтебаз ограничением разлива нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных резервуаров: дис. ... канд. техн. наук. М., 2001. 180 с.

2. Прогнозирование площади разлива нефтепродукта при квазимгновенном разрушении резервуара / С.А. Швырков [и др.] // Транспорт и хранение нефтепродуктов: науч.-информ. сб. М.: ОАО «ЦНИИ - ТЭнефтехим, 2005. Вып. 7. С. 8-12.

3. Батманов С.В. Устойчивость противопожарных преград резервуарных парков к воздействию волны прорыва при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара: дис. ... канд. техн. наук. М., 2009. 176 с.

4. Воробьев В.В. Дополнительные защитные преграды для снижения пожарной опасности разлива нефти и нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных резервуаров: дис. ... канд. техн. наук. М., 2008. 204 с.

5. ГОСТ 31385-2008 Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия. Доступ из единой базы ГОСТов РФ «ГОСТэксперт».

6. СТО-СА-03-002-2009. Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. М.: Российская ассоциация экспертных организаций техногенных объектов повышенной опасности, 2009. 216 с.

7. Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. Сер. 3. Вып. 69. 240 с.

8. Правила технической эксплуатации резервуаров // Акционерное общество «НК «РОСНЕФТЬ». URL: http://files.stroyinf.ru/Data1/49/49815/ (дата обращения: 14.05.2014).

9. Демёхин Ф.В., Таранцев А.А., Белов Д.И. О проблеме тушения пожаров в резервуарах с кольцевой защитной стенкой // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2013. № 2. С. 68-75.

10. Еленицкий Э.Я. Современные проблемы расчета резерву арных металлоконструкций: доклад на конф. // ООО Самарский филиал «КХМ - Проект». URL: http://www.rmk.ru/konf2002/old/elenickij.php (дата обращения: 14.05.2014).