Проблемы обеспечения безопасности при эксплуатации контейнер-цистерн для транспортировки и хранения сжиженных природных газов

УДК 620.262: 665.725

Проблемы обеспечения безопасности при эксплуатации контейнер-цистерн для транспортировки и хранения сжиженных природных газов

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2017

Т.А. Лебская, М.М. Федосеев

Аннотация

Рассмотрен процесс эксплуатации контейнер-цистерн для транспортировки сжиженного природного газа. Проведен анализ и определены основные факторы, приводящие к возникновению аварий.

Ключевые слова: риск чрезвычайных ситуаций; авария; техногенная ЧС; прогнозирование; статистика; опасный производственный объект; цистерна; сжиженный природный газ.

Safety Problems Related to the Use and Maintenance of Containers for LNG Transportation and Storage

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2017

T. Lebskaya, M. Fedoseev

Abstract

The article discusses the process of using and maintaining container tanks for LNG transportation and defines the key factors leading to accidents.

Key words: risk of emergency; accident; technological emergency; forecasting; statistics; hazardous productive facility; tank; liquefied natural gas (LNG).

Значительное количество объектов, входящих в систему нефтегазового комплекса, в том числе и контейнер-цистерны для транспортировки сжиженных газов, относятся к объектам с повышенным риском возникновения аварийных ситуаций. Чрезвычайные ситуации (далее — ЧС), происходящие в процессе перевозки опасных грузов, наносят вред окружающей среде, приводят к значительным разрушениям, повреждению материальных ценностей и поражению большого числа людей. Следовательно, вопросы обеспечения высокого уровня надежности и безопасности объектов транспортировки сжиженных газов от угроз природного и техногенного характера — это одна из важнейших составляющих деятельности МЧС России.

Природный газ является одним из основных энергетических ресурсов в большинстве развитых стран и практически во всех отраслях промышленности служит в качестве сырья, из которого получают химически чистые продукты, например, синтетический каучук, синтетические спирты и используется в виде топлива.

Это вещество экономически целесообразно хранить и транспортировать под давлением в сжатом или сжиженном состоянии. Именно для облегчения транспортировки на большие расстояния природный газ из газообразного состояния может быть превращен в жидкость, т.е. сжижен путем понижения его температуры до -160°С при нормальном атмосферном давлении. При этом изменяется только физическое состояние природного газа.

Согласно ГОСТ 19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка» (утв. постановлением Госстандарта СССР от 19 августа 1988 г. № 2957) сжиженный природный газ (далее — СПГ) относится ко 2 классу опасности и транспортируется при сверхнизких температурах при атмосферном давлении. Согласно «Общему положению по техническому надзору за контейнерами» (Правила изготовления контейнеров. Часть 4. Контейнеры-цистерны. Определения и пояснения.): охлажденный сжиженный газ загружается под давлением для перевозки, является частично жидким при пониженных или криогенных температурах.

Для этой цели созданы герметичные сосуды, цистерны и изотермические хранилища, обеспечивающие минимальные потери продукта. Сжиженные газы внутри контейнеров находятся частично в жидком, частично в газообразном состояниях, а также находятся под давлением столь долго, сколь долго содержатся в контейнере [1, 2].

На фоне резкой интенсификации добычи, потребления, хранения и транспортировки СПГ, увеличился объем цистерн для транспортировки газа. Следовательно, увеличились вероятность и число аварий. Аварии на объектах инфраструктуры газового комплекса в совокупности с негативными природными факторами являются источником природно-техноген-ных ЧС. Одним из главных недостатков криотоплива при неумелом обращении является взрывоопасность,

что может привести к серьезным техногенным последствиям. Поэтому особую актуальность приобретает анализ рисков для обеспечения высокого уровня надежности оборудования и безопасности, как людей, так и окружающей среды.

Риск возникновения ЧС техногенного и природ-но-техногенного характера на объектах газовой отрасли связан с тем, что здесь добываются, используются, перерабатываются, хранятся или транспортируются опасные, прежде всего пожаровзрывоопасные вещества; часто нарушаются нормы и правила эксплуатации оборудования. Неблагоприятные климатические условия, негативные проявления опасных природных процессов (геокриологические, лавины, сели, оползни, землетрясения, паводки и др.) тоже относятся к факторам, увеличивающим опасность ЧС [3].

Целью исследования является рассмотрение процесса эксплуатации контейнер-цистерн для транспортировки и хранения СПГ для снижения риска аварий и причиняемого ими ущерба. Требуется определить наиболее опасный участок эксплуатации, для которого на основе «дерева отказов» и «дерева событий» необходимо рассчитать вероятность реализации каждого сценария развития аварии.

Контейнер-цистерна или танк-контейнер—это двустенный изотермический резервуар, который состоит из двух основных элементов—цистерны (или цистерн) и каркаса (или рамных элементов для контейнеров-цистерн, не имеющих продольных несущих элементов), соответствующих требованиям международного стандарта ИСО 1496/3 (ГОСТ 31314.3-2006 Контейнеры грузовые серии 1. Технические требования и методы испытаний. Часть 3. Контейнеры-цистерны для жидкостей, газов и сыпучих грузов под давлением).

Резервуар предназначен для приема, временного хранения, выдачи СПГ потребителям и служит тарой для транспортировки автомобильным, железнодорожным и морским транспортом, обеспечивая при этом полную сохранность и высокое качество продукта.

Внутренний сосуд чаще всего изготовляют из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Сосуд снабжен люком, системой коммуникаций, трубопроводами слива-налива, арматурным шкафом с запорно-предо-хранительной арматурой и контрольно-измерительными приборами [4].

С помощью специальных средств подачи газифицированного СПГ потребителям, цистерна может быть использована в качестве станции регазифика-ции для обеспечения топливом населенных пунктов, у которых отсутствует централизованная система газоснабжения или производственных объектов.

При перевозках СПГ в контейнер-цистерне большое внимание должно уделяться обеспечению их взрывобезопасности и системам контроля при сливе, наливе и транспортировке газа. На цистерне устанавливают два манометра, по которым водитель контролирует давление в емкости во время перевозок.

На рис. 1 приведены схема и состав цистерны для транспортировки и хранения СПГ.

Рис. 1. Схема контейнера-цистерны для транспортировки и хранения СПГ и ее состав. Условные обозначения: 1 — сосуд; 2 — кожух; 3 — щит приборов; 4—предохранительное устройство сосуда; 5 — мембранный предохранитель кожуха; 6 — вентиль «наддув-газосброс»; 7 — фильтр; 8 — вентиль «байпас»; 9 — вентиль «наполнение-слив»; 10 — вентиль «выдача в сторонний насос»; 11 — вентиль «наддув азотом»; 12 — фильтрация азотом; 13 — вентили «продувка-сброс»; 14 — вентиль «вакуумирование»; 15 — вентиль «СПГ в испаритель»; 16 — электроклапан «СПГ в испаритель»; 17 — вентиль «газосброс в испаритель»; 18 — испаритель; 19 — подогреватель; 20 — электроклапан «газ в двигатель»; 21 — вентиль «газосброс через БДУ»; 22 — безопасное дренажное устройство

Для того, чтобы провести анализ риска аварий и ЧС при эксплуатации контейнер-цистерны с СПГ, а также факторов, приводящих к этим авариям, сначала необходимо определить наиболее опасные участки эксплуатации.

Для объектов, связанных с использованием СПГ, в основном характерны аварии на участках добычи, площадочных и линейных (газосборные сети, газопроводы или кондесатопроводы подключения), пунктах перекачки газа в цистерны или его раздачи.

Анализируя возможные опасности при эксплуатации контейнер-цистерны, можно прийти к выводу, что на любом этапе эксплуатации она несет угрозу для населения и окружающей среды.

Главная угроза и возможность нанесения максимального убытка от таких объектов для прилегающих производственных объектов, работающего персонала и населения связаны, прежде всего, с перекачкой газа в цистерны на площадках добычи, дожимных компрессорных станциях, установках комплексной подготовки газа и конденсата, а также станциях регази-фикации. Именно на них сосредоточено наибольшее количество дорогостоящего производственного оборудования на небольших технологических площадках в отличие от линейных объектов или при транспортировке СПГ железнодорожным, автомобильным или морским транспортом, аварии на которых наносят материальный ущерб, в первую очередь, третьим лицам и окружающей природной среде.

При хранении сжиженных газов в изотермических цистернах может возникнуть опасность их разрушения. Статистическая информация, иллюстрирующая образование и развитие газопаровоздушных смесей (далее — ГПВС) в атмосфере при разгерметизации оборудования, в котором осуществляется транспорт или хранение сжиженных газов, показывает, что

в большинстве случаев аварии сопровождаются возгоранием и взрывом. Сразу после разгерметизации контейнера-цистерны можно ожидать возникновения эффектов, связанных с горением высокоскоростных струй выбрасываемого газа. Температура жидкости оказывается значительно выше ее температуры кипения при низшем давлении (например, атмосферном). При этом часть жидкости мгновенно вскипает и в атмосферу выделяется огромный объем газа [1].

На рис. 2 представлен массив статистических данных, обобщающий развитие аварий, связанных с утечками газа.

Практически всегда утечка газов сопровождается образованием поражающих факторов (тепловое излучение и взрывная ударная волна).

Рис. 2. Вероятности развития аварий при утечке сжиженных газов из оборудования по данным Шебеко Ю. Н. [5] При аварийной разгерметизации цистерны авария может развиваться по следующим сценариям.

При появлении в начальный момент источника зажигания при струйном истечении СПГ происходит воспламенение паров испаряющейся жидкости с образованием диффузионного факела.

Наиболее вероятным источником случайного воспламенения являются искры от двигателей транспортных средств. Другими источниками случайного зажи-

гания являются разряды статического и атмосферного электричества, искры при соударении металлических частей, поверхности, нагретые до высокой температуры.

Отсутствие источника зажигания в начальный момент истечения приводит к образованию облака ГПВС. Возникновение источника в момент, когда смесь достигла опасных концентрационных пределов в диапазоне от верхнего предела воспламенения до нижнего, может привести к взрывному сгоранию смеси в режиме дефлаграции.

Также состав облака может соответствовать сгоранию без образования ударных волн, в таком случае создаются условия для формирования пожара разлития.

Возникающее дефлаграционное горение топли-вовоздушных смесей (способных дрейфовать по ветру в любом направлении) протекает как с развитием избыточного давления (взрывное горение), так и без него («огненный шар»), который обладает очень высокой поражающей способностью и может привести к возникновению зоны действия поражающих факторов, находящейся на значительном удалении от места выброса газа, практически в любом месте технологической площадки [6].

Следовательно, аварии при эксплуатации автоцистерны определяются как случайные события, состоящие во внезапной разгерметизации трубопровода, сосуда или аппарата, сопровождающиеся интенсивным истечением опасного вещества и высвобождением энергии в окружающее пространство, способные вызвать материальный ущерб.

Основными причинами возникновения таких аварий и ЧС могут послужить:

ошибки персонала при выполнении регламентных и аварийных действий;

отказы средств контроля процесса; отказы сигнализации и блокировок, а также средств локализации аварий (сбросных клапанов);

развитие неконтролируемых экзотермических реакций;

брак строительно-монтажных работ; коррозионные разрушения стенок сосудов и трубопроводов, а также насосного оборудования, запорной арматуры;

природные явления.

Реальная авария, как правило, вызывается совокупностью причин, выявление которых является сложной научной задачей.

Рис. 3. Статистика количества аварий в период с 2014 по 2017 г при эксплуатации контейнер-цистерн

Рис. 4. Процентные соотношения неблагоприятных последствий аварий

Следует отметить, что на протяжении последних лет процент аварийности при эксплуатации контейнер-цистерн остается на высоком уровне, что отражает приведенная статистика (рис. 3) и диаграмма процентного соотношения неблагоприятных последствий аварий (рис. 4).

Распределение аварий по группам показано на рис. 5.

Как видно из представленных диаграмм, основной вклад в аварийность на рассматриваемых объектах вносят механические повреждения кон-

Рис. 5. Осредненное распределение аварий по группам на объектах транспортировки СПГ

Рис. 6. «Дерево отказов» на станции регазификации, связанное с разгерметизацией контейнер-цистерны

тейнер-цистерны. Большинство из таких случаев связано с организационными причинами. Механические повреждения происходят по вине организаций и лиц, не связанных с эксплуатацией рассматриваемых объектов. Анализ причин аварий, связанных с коррозийными повреждениями, указывает на низкий уровень организации эксплуатации, выражающийся в отсутствии контроля за техническим состоянием контейнера-цистерны и дополнительного оборудования, некачественным техническим обслуживанием.

Наиболее опасными будут ситуации при повреждении контейнер-цистерны в момент ее нахождения на технологических площадках станций регазификации, которые могут вызвать значительный материальный ущерб основным средствам производства, персоналу, населению и окружающей природной среде.

На основе анализа произошедших аварий и литературы [3,5,7] составлено «дерево отказов» для резервуара (рис. 6).

С использованием «дерева отказов» оценена вероятность отказа системы, которая составила 10-4 в год. Вероятность аварий на станции регазификации составила 10-5.

Были определены основные факторы, приводящие к отказу системы, соответственно к авариям:

выход параметров за критические значения;

коррозийный, механический износ, внешние повреждения аппаратуры;

воздушная ударная волна;

тепловое излучение от настильной струи горящего газа;

тепловое излучение горящих разлитий и огненного шара.

Расчеты вероятностей возможных сценариев развития аварии при разгерметизации цистерны СПГ проведены на основании приказа МЧС России от 10.07.2009 № 404 («Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах» // Собрание законодательства Российской Федерации. 28 июля 2009 г. № 52 . Ст. 1752.).

Результаты расчета приведены в таблице.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Основной вклад в аварийность на рассматриваемых объектах вносят механические повреждения контейнер-цистерн, большинство из которых связано с организационными причинами. Эти повреждения происходят по вине организаций и лиц, не связанных с эксплуатацией контейнеров-цистерн. Они обусловлены низким уровнем организации эксплуатации, выражающимся в отсутствии контроля над техническим состоянием контейнеров-цистерн и дополнительного оборудования, некачественным техническим обслуживанием.

2. С помощью модели «дерево отказов» для резервуара оценены вероятности отказа системы (10-4 в год) и аварии на станции регазификации (10-5 в год).

3. Основными факторами, приводящими к отказу системы и к авариям, следует считать: выход параметров за критические значения; коррозийный, меха-

Значения вероятностей различных сценариев развития аварии

Таблица

Развитие аварии Обозначение Вероятность, год-1

Мгновенное воспламенение истекающего продукта с последующим факельным горением Q(A1) 0,000003997

Факельное горение, тепловое воздействие факела приводит к разрушению близлежащего резервуара и образованию «огненного шара» Q(A2) 0,000009495

Мгновенный выброс продукта с образованием «огненного шара» Q(Aз) 0,0002215

Мгновенного воспламенения не произошло, облако ГПВС рассеялось Q(A4) 0,000006863

Мгновенной вспышки не произошло, возгорание пролива Q(A5) 0,000002027

Разрушение близлежащего резервуара под воздействием тепла при горении пролива Q(Aб) 0,000004818

Сгорание облака парогазовоздушной смеси Q(A7) 0,00005373

Разрушение близлежащего резервуара под воздействием тепла при образовании «огненного шара» Q(A8) 0,0001277

Сгорание облака с развитием избыточного давления в открытом пространстве Q(A9) 0,00001179

Разрушение близлежащего резервуара под воздействием избыточного давления Q(Alo) 0,00002804

нический износ, внешние повреждения аппаратуры; воздушная ударная волна; тепловое излучение от настильной струи горящего газа; тепловое излучение горящих разлитий и огненного шара.

4. Наибольшую вероятность и поражающее воздействие при разгерметизации автоцистерны в момент заправки будет иметь сценарий, при котором происходит мгновенный выброс продукта с образованием «огненного шара» (А3).

5. В связи с полученными результатами был сделан вывод о необходимости обеспечения более высокого уровня безопасности и надежности контейнер-цистерн путем принятия мер по снижению вероятности отказа объекта, недопущению развития определенного сценария аварийной ситуации, которая может повлечь за собой поражение людей и загрязнение окружающей среды.

Литература

1. Акатьев В. А. Основы взрывопожаробезопасности: Учеб. по-соб. М.: Изд-во РГСУ,2008. 552 с.: ил.

2. Сжиженный природный газ. [Электронный ресурс] // URL: http://lngas.ru/life-safety-lng

3. Безопасность России. Многотомное издание в 22-х томах. М.: Знание, 1997-2003.

4. Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов (ДОПОГ), 2015.

5. Шебеко Ю. Н. и др. Оценка индивидуального и социального риска аварий с пожарами и взрывами для наружных технологических установок // Пожаровзрывобезопасность. 1995. Т. 4. № 1.C.21-29.

6. Рахманин А. И. Обеспечение безопасности резервуаров для хранения сжиженного природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов. М., 2014.

7. Белов П. Г. Управление рисками, системный анализ и моделирование: Учебник и практикум для бакалавриата и магистату-ры. М.: Юрайт, 2014. 728 с.

Сведения об авторах

Лебская Татьяна Алексеевна: студентка МГТУ им. Н. Э. Баумана, лаборант-исследователь научно-ис-след. центра ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-таИ: tutiana95@mal.ru

Федосеев Михаил Михайлович: студент МГТУ им. Н. Э. Баумана, лаборант-исследователь научно-ис-след. центра ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-таИ: Mihaf08@rambler.ru

Information about authors

Lebskaya Tatiana A.: student of the Bauman Moscow State Technical University, research assistant at Research Center, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: tutiana95@mal.ru

Fedoseev Mihail M.: a student of the Bauman Moscow State Technical University, research assistant at Research Center, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: Mihaf08@rambler.ru

Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС

Авторы, название URL

Степанов В.Я. Победители. Литературно-художественный публицистический сборник http://elibrary.ru/item.asp?id=25708831

Пучков В.А. и др. МЧС России: хроника событий 1990-2015 http://elibrary. ru/item.asp?id=25329688

Акимов В.А. и др. Астероидно-кометная опасность: стратегия противодействия. Монография http://elibrary. ru/item.asp?id=25104782

Степанов В.В. и др. Совершенствование гражданской обороны в Российской Федерации. Материалы Всероссийского совещания с руководителями федеральных органов исполнительной власти и органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации по проблемам гражданской обороны и защиты населения и XI Научно-практической конференции http://elibrary. ru/item.asp?id=25261732

Верескун А.В. и др. Комплексное исследование влияния рисков природных и техногенных чрезвычайных ситуаций на безопасность жизнедеятельности населения Республики Крым и г. Севастополя. Монография http://elibrary.ru/item.asp?id=24142485

Пучков В.А. и др. Настольная книга руководителя гражданской обороны. Издание 2-е, актуализированное и дополненное http://elibrary. ru/item.asp?id=24401975

Акимов В.А. и др. Глобальная и национальные стратегии управления рисками катастроф и стихийных бедствий. XX Международная научно-практическая конференция по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. Тезисы докладов http://elibrary. ru/item.asp?id=23536402

Афанасьева Е.В. и др. Информационно-аналитический бюллетень об организации деятельности территориальных органов МЧС России в области реагирования пожарно-спасательных подразделений на дорожно-транспортные происшествия в субъектах Российской Федерации в I полугодии 2015 года http://elibrary. ru/item.asp?id=23879184