Ликвидация аварий при истечении нефти и нефтепродуктов в водоемы

УДК 614.841.412:665.61

ЛИКВИДАЦИЯ АВАРИИ ПРИ ИСТЕЧЕНИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В ВОДОЕМЫ

Артемьев Николай Сергеевич

Подгрушный Александр Васильевич

Н. С. Артемьев

канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры пожарной тактики и службы Академии ГПС МЧС России

А. В. Подгрушный

канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры пожарной тактики и службы Академии ГПС МЧС России

Проанализировано растекание нефти и нефтепродуктов при авариях на нефтебазах, магистральных трубопроводах, сливо-наливных пирсах, расположенных на берегу и в море, с целью профилактики аварий и связанных с ними пожаров. Рассмотрены методы защиты от пожара разлитой нефти и нефтепродуктов, а также ограничения растекания и сбора нефтепродуктов из воды и с берега.

Защита от растекания нефти и нефтепродуктов при авариях на нефтебазах, магистральных трубопроводах, сливо-наливных пирсах, расположенных как на берегу, так и в море, часто рассматривается с точки зрения влияния на экологию. Для ликвидации таких аварий обязательно привлекаются подразделения МЧС, в частности Государственной противопожарной службы.

Масштабы добычи, транспортировки, хранения и переработки нефти и нефтепродуктов требуют большого внимания к разработке и соблюдению мер пожарной безопасности. На первое место выходят следующие задачи:

• профилактика аварий и связанных с ними пожаров;

• прогнозирование масштабов аварийного растекания нефти и нефтепродуктов;

• расчет требуемого количества людей и техники для ликвидации аварий в короткое время с наименьшими отрицательными последствиями для экономики и экологии.

Наиболее типичными случаями загрязнения водоемов нефтью и нефтепродуктами при аварийном их истечении являются:

• аварийные ситуации с нефтеналивными танкерами и судами у сливо-наливных морских и речных пирсов;

• разрушение магистральных трубопроводов, проходящих через водоемы или вблизи них;

• аварии при эксплуатации резервуаров нефтебаз, расположенных на берегах водоемов;

• бытовые сбросы в водоемы неочищенных нефтесодержащих сточных вод предприятиями, расположенными на их берегах;

• выпуск в водоемы различными плавсредствами воды с содержанием масел и других нефтепродуктов;

• аварии на железной дороге с эшелонами, состоящими из цистерн с нефтью и нефтепродуктами, при их движении по берегу или через водоемы. Рассмотрим первые два из вышеназванных случаев аварийных ситуаций с нефтью и нефтепродуктами при их истечении из трубопроводов в водоемы (реку или море).

При авариях трубопроводов нефть растекается по реке под воздействием ветра и течения воды, достигает ее берегов и скапливается в зарослях травы, на мелководных участках и в затонах. При изменении направления ветра нефть может перемещаться из одних зон в другие. Скорость растекания светлых нефтепродуктов (бензин, керосин, дизтопливо) меньше, чем темных (масло, нефть, мазут). На водохранилищах и реках со слабым течением воды скорость движения нефтяного пятна можно определить по формуле:

Уде =

где Ув — скорость приземного ветра, м/с.

Установлено, что на 1 км береговой полосы отлагаются примерно 1-2 т маловязкой нефти, 5-8 т нефти средней вязкости и 20-30 т высоковязкой и застывшей нефти.

Полное смешивание нефтепродуктов с пресной водой в реке или другом водоеме в летнее время происходит за 4-7 суток. С понижением температуры воды интенсивность перемешивания ее с нефтью и нефтепродуктами резко уменьшается.

При плотности нефти 1 т/м3 возникает угроза ее осаждения на дно водоема. Однако при повышении температуры воды нефть может всплыть на поверхность водоема. При попадании нефти в воду с течением времени свойства нефти изменяются. Нефтяное пятно, взаимодействуя с водой и воздухом, окисляется, испаряется, эмульгирует, при этом изменяются его плотность и вязкость.

Изменение плотности нефти и нефтепродуктов при температуре, отличной от 20°С, можно определить по формуле:

р, = Р20 + 0,00067(, - 20),

где р20 — плотность нефти и нефтепродуктов при

20°С, кг/м3;

, — расчетная температура, °С.

Вязкость нефти и нефтепродуктов изменяется под воздействием воды, солнца и ветра. При смешивании нефти с водой получается эмульсия с вязкостью в 3 раза меньше первоначальной. Нефть с большой вязкостью не растекается по поверхности воды, а скапливается в затонах, а также отлагается толстым слоем на берегах водоемов. Сырую нефть, имеющую среднюю и большую вязкость и попавшую в воду при аварии магистрального трубопровода, убрать из воды нефтесборщиками очень трудно.

Из-за изменения свойств нефти при попадании ее в воду и отрицательного воздействия на экологию нефтяное пятно нередко безуспешно пытаются поджечь, чтобы таким тактическим приемом ликвидировать последствия аварии. Однако без специальной подготовки выполнить это не представляется возможным. Кроме того, наносится экологический ущерб природе за счет ухудшения качества воздуха вблизи места сжигания жидкости, при этом в воде остаются частицы углерода, которые необходимо убрать с поверхности водоема. Остатки нефти или нефтепродуктов движутся в воде по течению, образуя черные пятна у берегов, на мелководье, в траве и затонах.

Распространение нефти и нефтепродуктов в речном потоке крайне неравномерно и зависит от многих факторов.

Для ориентировочных расчетов площади загрязнения реки нефтью в единицу времени можно использовать следующее выражение:

Sзaг р = 0,08

0,085утеч

1п

0,27

где Утеч — скорость течения реки, км/ч;

Ь, И — ширина и глубина реки соответствен-

в

но, м.

Объем нефти, попадаемый в водоем при аварии трубопровода, можно определить по формуле:

6 = ц5

истеч

л/2^И,

где 8истеч — площадь поперечного сечения круглого отверстия, из которого происходит истечение, м2; И — напор (давление) в трубопроводе, м; ц — коэффициент истечения нефти и нефтепродуктов через отверстие,

ц =

1

р — коэффициент местного гидравлического сопротивления при выходе продукта из отверстия;

I, В — длина и диаметр трубопровода соответственно, м;

X — коэффициент гидравлического сопротивления трения жидкости при движении в трубопроводе,

. .А 68 10,25

X = 0,111 — +--------------

В Ке,

абсолютная шероховатость трубы;

Яет — число Рейнольдса.

Для определения р по графику находят коэффициент скорости ф для круглого отверстия, а затем рассчитывают р по формуле:

р=

1

ф -1

Истечение жидкости будет происходить при переменном напоре и уменьшающейся скорости выхода жидкости из трубопровода. Для нахождения времени опорожнения всего трубопровода используем уравнение:

'•опор '' тр

^^тр /6,

где Жтр — объем жидкости в трубопроводе длиной I, м3;

6 — расход жидкости из круглого отверстия, м3/мин.

Скорость движения жидкости в трубопроводе можно рассчитать по формуле:

УЖ е/^Ш

Количество нефти, попадаемой из трубопровода в водоем при аварии, показано в табл. 1.

Известно, что 1 л светлых нефтепродуктов растекается на водной поверхности по площади ~1 м2, а темных — в два раза меньше. Исходя из этих величин, с помощью табл. 1 можно определить площадь аварийного загрязнения водоема. При этом следует учитывать, что на поверхности воды остается около 80% большинства видов нефти и нефтепродуктов, а 20% находится в эмульгированном виде, испаряется и осаждается.

Для определения возможной площади растекания нефти и нефтепродуктов предлагается следующая формула:

где Жтр — объем жидкости в трубопроводе между задвижками, который может вытечь в водоем, л; кр — коэффициент растекания нефти или нефтепродуктов по воде, равный 0,5-1,0 м2/л; коп — коэффициент, характеризующий долю нефти, оставшейся на водной поверхности, равный 0,8.

При авариях на трубопроводах, сопровождающихся большими выбросами нефти, необходимо в первую очередь как можно быстрее ограничить ее растекание по поверхности водоема. Это осуществляют с помощью ряда средств: запани, надувные плавучие ограждения, нефтесборщики, боны.

Наречных переходах магистральных нефтепроводов при обнаружении утечки нефти или нефтепродуктов необходимо принять меры к предотвращению загрязнения реки путем немедленной установки одного из названных видов ограждений по всей ширине реки (или ее части) ниже по течению на безопасном расстоянии от фронта нефтяного пятна.

На морских перевалочных нефтебазах находятся танкеры, заправляющиеся нефтью или нефтепродуктами, поэтому в случае аварии необходимо ограждать акваторию около сливо-наливного пирса, изолируя ее от моря.

На больших судоходных реках с малой скоростью течения нефть можно улавливать с помощью простейшего устройства, называемого запанью. Запань представляет собой плот из брусьев или бревен толщиной 0,16-0,2 м. К плоту крепятся вертикально и вплотную друг к другу дощатые щиты, обитые рубероидом по всей длине. Место и способ установки таких плотов-запаней зависят от скорости ветра, направления растекания нефти, рельефа реки. Если нефтяное пятно распространяется у одного берега реки, тогда один конец ограждения закрепляется в русле реки с помощью якорного устройства, а другой — у берега (рис. 1).

На реках, имеющих глубину не менее 1,5 м и скорость течения воды до 0,2 м/с, можно использовать нефтесборщик и боновые заграждения. Боно-вые заграждения должны храниться на нефтебазах, расположенных на берегах водоемов, а на морских сливо-наливных пирсах — в помещениях, находящихся вблизи мест их вероятной установки.

Боны изготавливаются из специальной ткани, причем длина одной секции составляет 10-25 м, высота — около 1 м. Они имеют якорные кольца, балласт из грузов, подвешенный снизу бона в специальных карманах. В готовом виде бон должен вы-

ходить из воды на 0,3 м. Двое рабочих могут собрать и установить один бон за 3-5 мин. Боны могут храниться и транспортироваться пожарными судами.

Во время стоянки танкеров у сливо-наливных пирсов, нефтебаз под загрузкой нефтепродуктами или их сливом боновые заграждения могут устанавливаться как для каждого танкера в отдельности, так и для одновременного обслуживания нескольких танкеров (рис. 2). Если у пирса нет танкера, а нефтепродукт выходит из трубы в море, то боновое заграждение устанавливается также по приведенной схеме.

Схема установки боновых заграждений на речных переходах магистральных нефтепродуктов показана на рис. 1. Для сбора нефти с поверхности воды используются нефтесборщики, насосы, простейшие дисперсные и пористые материалы (сухой торф, солома, пемза, перлит, рисовая шелуха и др.).

Иногда сырую нефть сжигают прямо на поверхности водоема. Однако из-за охлаждающего действия воды и быстрой потери легких фракций нефть сгорает неполностью. Кроме того, при повышении температуры нефти уменьшается ее вязкость, уско-

ТАБЛИЦА 1. Объем нефти, м , попадаемой в водоем из трубопровода

Диаметр трубопровода, мм, Расстояние между задвижками, м

100 500 1000 2000 5000 10000

300 7,1 35,5 71 142 355 710

500 19,6 98 196 392 980 1960

700 38,5 193 385 770 1930 3850

1000 78,5 392 785 1570 3920 7850

1200 113 565 1170 2260 5650 11300

РИС. 1. Схема установки боновых заграждений на речных переходах магистральных нефтепроводов: 1 — берег реки; 2 — место вытекания нефти; 3 — береговое крепление бонового заграждения; 4 — нефтяные пятна на воде; 5 — боновые заграждения; 6 — направление течения воды; 7 — боновые заграждения с якорным устройством; 8 — якорное устройство

РИС. 2. Схема установки боновых заграждений для танкеров, стоящих у морского пирса нефтебазы: 1 — якорное устройство; 2 — танкер; 3 — боны; 4 — береговые крепления; 5 — сливо-наливной пирс; 6 — нефтепроводы

ряется горение и она растекается по поверхности воды тонким слоем, который не способен гореть. Водоэмульсионная смесь окисляется, становится более плотной. Сжигание нефти на поверхности воды ведет к загрязнению окружающей среды и возможным пожарам на береговой линии и пирсе. Перед сжиганием нефтяного пятна на водоеме его поливают керосином или дизтопливом по фронту движения, а затем поджигают с помощью факелов. В этом случае боновые и другие заграждения не должны находиться на водоеме, все нефтесборщики отводятся в безопасное место. По береговому периметру поджигаемого нефтяного пятна располагаются постовые с первичными средствами пожаротушения и пожарные автоцистерны для предотвращения перехода огня из водоема на береговые сооружения, травяной покров и лесные массивы.

Одним из средств ограждения нефти и огня на водоеме могут быть пожарные стволы, с помощью которых вода подается сплошными струями на поверхность водоема в нужные места.

Действия подразделений пожарной охраны и других аварийных служб должны быть направлены на решение двух задач:

— ограничение площади растекания нефтепродуктов и извлечение их из воды;

— создание водонефтяной эмульсии для уменьшения опасности возникновения горения разлитой на воде жидкости.

Эмульгирование нефтепродуктов в воде снижает опасность возникновения пожара, но очень затрудняет, а иногда делает невозможным извлечение их из воды. Кроме того, оно требует интенсивного перемешивающего воздействия.

В связи с тем, что одновременное решение двух указанных задач невозможно, необходимо четко определить, какую из задач решать первой, и выбирать соответствующие ей приемы борьбы.

Из всех возможных аварийных ситуаций можно выделить наиболее типичные:

• загрязнение окружающей среды без воспламенения жидкости;

• воспламенение и горение нефтепродуктов без угрозы распространения пожара на сливо-наливной пирс, суда, береговые сооружения;

• воспламенение нефти или нефтепродуктов с угрозой распространения горения на судно у сливо-наливного пирса или в акватории (после устранения утечки жидкости главной задачей является вывод танкера из пожароопасной зоны, а затем ликвидация возгорания или загрязнения);

• утечка нефтепродуктов и угроза возникновения пожара, а также его распространения на другие плавсредства и береговые сооружения нефтебаз. Первой решается задача устранения угрозы пожара разлитых нефтепродуктов на всей площади, а затем ликвидируются загрязнения. Основной и самый дешевый метод защиты от пожара — эмульгирование нефти или нефтепродуктов с водой, основной способ борьбы с загрязнением окружающей среды — ограничение растекания и сбор нефтепродуктов из воды и с берега.

Эмульгирование нефтепродуктов в воде чаще всего достигается интенсивным движением пожарно-спасательных судов от границы опасной зоны с постепенным приближением к ее центру при одновременной обработке поверхности нефтепродуктов компактными струями воды. Этот метод применяется как исключение.

Многие сорта нефти (с температурой вспышки от +100 до -42°С), перемешанные в воде до состояния эмульсии, не горят при концентрации воды в нефти от 30 до 55%. Эмульгирование нефти и нефтепродуктов мощными водяными компактными струями должно производиться под определенным углом (более 45°) с минимальной высоты и при минимальном расстоянии от ствола до нефтяного пятна. Но даже при соблюдении этих требований эмульгирование нефти до нужной концентрации достигается только при достаточно продолжительной обработке мощными компактными струями из пожарных водяных стволов.

Водяные струи из лафетных стволов пожарных судов (спасателей) можно использовать для создания направленного течения воды с целью ограничения растекания и сбора нефти в малоподвижной зоне реки или моря. Однако этими струями можно ликвидировать горение жидкости по периметру разлива небольшой площади, если обеспечить подачу воды с интенсивностью не менее 0,3 л/(м2-с) на расчетную площадь горения.

Для ограничения растекания нефти по водоему компактные струи воды из пожарных стволов должны вводиться на удалении 30-50 м от фронта пло-

щади разлива, чтобы предотвратить разрушение пленки. Торможение растекания нефти достигается за счет формирования зоны направленных слабых потоков в воде. Для этого необходимо в течение длительного времени направлять струю в одну и ту же точку под небольшим углом к водоему. Для воздействия на нефть, находящуюся за ограничивающим ее растекание заграждением, лучше применять стволы с небольшим расходом воды. Для сгона нефти к нефтесборщику или другому устройству для ее сбора, а также с целью вымывания нефти или других нефтепродуктов из-под сооружений в ограниченные по размерам заграждения, облегчающие последующее извлечение из воды, используются компактные и распыленные струи.

Для ограничения растекания нефти или нефтепродуктов по водной поверхности могут применяться различные газовые и газоводяные струи.

На случай аварии нефтепродуктопровода разрабатывается план ее ликвидации. Оперативная часть

плана включает в себя схему продольного профиля участка магистрального трубопровода, места размещения задвижек, ситуационные планы, взрывопожароопасные зоны, места сбора нефти и нефтепродуктов.

Во второй части плана определяются: мероприятия по охране окружающей среды, действия бригад по локализации выхода жидкости в водоем, схема мест расположения и виды аварийно-восстановительной техники и пути ее движения, список инструментов и материалов, необходимых для ликвидации аварии.

В плане также указываются лица, ответственные за сбор продуктов загрязнения, порядок связи, освещение места аварии, материально-техническое снабжение, транспорт, организацию питания. Предусматривается порядок экстренного сбора участников ликвидации аварий, для чего используются вертолеты и автотранспорт. Разрабатывается инструкция по проведению работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Забела К. А. Ликвидация аварий и ремонт подводных трубопроводов. — М.: Недра, 1986. —

148 с.

2. Артюнов С. А. Эксплуатация нефтебаз. — М.: Недра, 1983. — 148 с.

3. Волков О. М., Проскуряков Г. А. Пожарная безопасность на предприятиях транспорта. — М.:

Недра, 1981. — 256 с.

Поступила в редакцию 07.10.05.