Анализ и оценка риска аварий резервуаров и газопроводов при низких температурах Захарова Марина Ивановна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Методология количественной оценки риска 11

1.1. Понятия опасности и риска. Этапы анализа риска 11

1.2. Действующие российские нормативно - методические документы

1.3. Выводы 21

Глава 2. Анализ риска аварий резервуаров при низких температурах

2.1. Анализ риска аварий при хрупком разрушении резервуаров с разливом нефтепродукта при низких температурах окружающей среды

2.2. Основные причины взрыва резервуаров при низких температурах окружающей среды

2.2.1. Определение возможных сценариев развития аварии при взрыве резервуара методом дерева событий при низких температурах

2.2.2. Тепловое воздействие пожаров разлития нефтепродуктов при низких температурах окружающей среды

2.2.3. Оценка индивидуального риска 66

2.3. Образование горючей паровоздушной смеси снаружи резервуара при низких температурах окружающей среды

2.4. Выводы 77

Глава 3. Анализ риска аварий газопроводов при низких температурах

3.1. Основные причины аварий на газопроводах, з эксплуатирующихся при низких температурах

3.2. Разрушение газопроводов при низких температурах 89

3.3. Анализ условий возникновения и развития аварийных ситуаций на газопроводах при минусовых температурах окружающей среды

3.4. Анализ последствий аварий газопроводов в условиях Севера

3.5. Математические модели и оценка вероятных зон действия поражающих факторов

3.5.1. Тепловое излучение при пожаре газопровода при низких температурах окружающей среды

3.5.2. Ударная волна сжатия при взрыве газовоздушной смеси облака метана в открытой местности в условиях Севера

3.6. Оценка риска аварий на газопроводах при низких температурах

3.7. Выводы 116

Глава 4. Сравнение частот аварий резервуаров и газопроводов, произошедших при отрицательных и положительных температурах окружающей среды и рекомендации по снижению риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера

4.1. Сравнение частот аварий резервуаров и газопроводов, произошедших при отрицательных и положительных температурах окружающей среды

4.2. Рекомендации по снижению риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера

4.3. Выводы 125

Заключение 126

Список использованной литературы 128

• Действующие российские нормативно - методические документы
• Основные причины взрыва резервуаров при низких температурах окружающей среды
• Разрушение газопроводов при низких температурах
• Рекомендации по снижению риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера

Введение к работе

Актуальность темы работы. Повышение безопасности объектов нефтегазового комплекса является актуальной научной задачей. Резервуары и газопроводы относятся к опасным объектам нефтегазового комплекса. Аварии на резервуарах и газопроводах могут привести к катастрофическим последствиям.

Определенный интерес представляет анализ риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов для транспортировки газа, эксплуатирующихся в экстремальных природно-климатических условиях Севера.

В условиях Севера, определяющими внешними факторами являются низкие температуры атмосферного воздуха и аномальные неблагоприятные метеорологические условия, характеризующиеся глубокими продолжительными инверсиями в сочетании со штилем. Эти внешние параметры окружающей среды оказывают влияние как на частоту аварий, так и на дальность зоны действия поражающих факторов при аварии.

Отмеченные обстоятельства делают актуальными анализ и оценку риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов для транспортировки газа в условиях Севера.

Целью работы является развитие теории анализа и оценки риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов при низких температурах с учетом аномальных неблагоприятных метеорологических условий для повышения промышленной безопасности опасных производственных объектов, работающих в условиях Севера

К аномальным метеорологическим условиям Севера относятся экстремально-низкие температуры атмосферного воздуха, мощные продолжительные температурные инверсии и их сочетания со штилем. На основе выявленных особенностей влияния аномальных метеорологических условий на параметры риска, разработан методический подход к анализу риска аварий резервуаров и газопроводов при неблагоприятных метеорологических условиях (низкие температуры, инверсия, штиль).

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Сбор и анализ информации об авариях резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов, произошедших при минусовых температурах окружающей среды.

2. Выявление основных причин аварий резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов на основе анализа данных по авариям.

3. Разработка «дерева отказов» при хрупком разрушении резервуара, «деревьев событий» аварий резервуаров и газопроводов с определением условных вероятностей реализации сценариев.

4. Оценка исходных частот аварий магистральных газопроводов и резервуаров с нефтепродуктами, полученных на основе анализа данных об авариях при минусовых температурах окружающей среды.

5. Оценка последствий аварий резервуаров и газопроводов при аномальных
условиях Севера (низкие температуры, инверсия, штиль):

- сравнительный анализ значений коэффициента пропускания атмосферы и
интенсивностей теплового излучения в результате пожара на резервуарах и
газопроводах при различных температурах окружающего воздуха;

- обоснование влияния опасных метеоусловий (сочетаний инверсии со
штилем) на вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси облака
метана в открытой местности при аварии на газопроводе и опасных паров
снаружи резервуара при технологических выбросах. Оценка вероятностей
наступления опасных метеоусловий по результатам анализа метеорологических
данных. Сравнительный анализ вероятностей появления опасных метеоусловий в
зимнее и летнее время;

- обоснование влияния температурной инверсии на величину слабой ударной
волны в условиях Севера, оценка безопасных расстояний.

6. Оценка индивидуального, материального, экологического риска аварий
резервуаров и газопроводов с использованием разработанного методического

подхода.

Научные положения, выносимые на защиту:

На защиту выносятся результаты теоретических и расчетных исследований, полученные на их основе рекомендации по анализу риска аварий вертикальных резервуаров с нефтепродуктами и магистральных газопроводов в условиях Севера:

5. Исходные частоты аварий резервуаров и газопроводов, предназначенные для количественной оценки риска при минусовых температурах окружающей среды.

6. «Деревья событий», разработанные на основе сбора, анализа и систематизации данных аварий резервуаров и газопроводов, произошедших при минусовых температурах, включая частоты реализации аварийных сценариев.

3. Обоснование увеличения значения интенсивности теплового излучения от
пожара при снижении температуры окружающей среды.

4. Обоснование влияния опасных метеоусловий (сочетаний инверсии со штилем)
на вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси облака метана в
открытой местности при аварии газопровода и опасных паров снаружи резервуара при
технологических выбросах.

5. Обоснование влияния температурной инверсии на величину избыточного давления слабой ударной волны в условиях Севера.

6. Результаты оценки риска аварий резервуаров и газопроводов, полученные с использованием разработанного методического подхода.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны «дерево отказов» хрупкого разрушения резервуаров, «деревья событий» при взрыве резервуара и истечении газа из газопровода, с оценкой частот реализации аварийных сценариев при минусовых температурах окружающей среды; получены исходные частоты аварий резервуаров и газопроводов, предназначенные для количественной оценки риска.

2. Выявлено, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается коэффициент пропускания атмосферы, следовательно, увеличивается и интенсивность теплового излучения. Показано, что при снижении температуры окружающей среды от +30 до -50 С, безопасное расстояние для человека при

пожаре разлития нефтепродукта увеличивается на 14 %.

3. Обоснована необходимость учета влияния температурной инверсии на величину избыточного давления слабой ударной волны в условиях Севера.

4. Установлено, что вероятность появления опасных метеоусловий (сочетании инверсии со штилем) в зимний период может увеличиваться более чем на порядок (в 13 раз) по сравнению с летним периодом, что увеличивает и вероятность образования взрывоопасной газовоздушной смеси облака метана в открытой местности или взрывоопасной смеси снаружи резервуара.

Практическая ценность работы:

Основные результаты диссертационной работы используются ООО "Научно-технический центр анализа промышленного риска Севера" при анализе и количественной оценке риска аварий резервуаров и газопроводов в декларациях промышленной безопасности, в планах локализации и ликвидации аварий на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах, в планах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались статистические методы исследования: сбора и обработки данных - анализ и синтез, описание, обобщение, декомпозиции развития возможных аварийных ситуаций; теории вероятностей; сравнительного анализа.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 2-й
Международной конференции «Живучесть и конструкционное

материаловедение» (Москва, 21-23 октября 2014); V Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы», (Воронеж, 18-19 сентября 2014 г.); VI Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата, (Якутск, 24-29 июня 2013, г.); The NT2F13: New Trends in Fatigue and Fracture Conference (Moscow, Russia, 13-16 May 2013); Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (Москва, 22-24 октября 2012 г.); Всероссийской научно - практической конференции «Сварка и безопасность»

(Якутск, 11-12 октября 2012 г.); IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 9-13 октября 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ в научных журналах и различных сборниках, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка источников из 120 наименований. Содержит 140 страниц, 26 таблиц, 15 рисунков.

Действующие российские нормативно - методические документы

Под опасностью понимается потенциальная возможность появления событий, способных вызвать значительные разрушения, поражение людей [29].

В руководящем документе [89] опасность аварии определена, как возможность возникновения событий, способных причинить ущерб человеку, окружающей среде при аварии на опасном объекте.

В работах [3, 69] понятие риска трактуется, как вероятность возникновения аварии с учетом ее последствий. Таким образом, риск не может рассматриваться без учета последствий аварий.

Последствия аварий делятся на три группы ущерба: социальный, экономический и экологический.

Для количественной оценки последствий, необходимо заранее предвидеть возможные варианты реализации сценариев аварий и оценить дальность зоны действия поражающих факторов, возникающих при аварии опасного объекта. Также необходимо заранее оценить значения параметров поражающих факторов и их изменение с расстоянием от источника аварии. Для оценки этих параметров необходимы научные исследования, разработки, знание физики аварийных процессов.

В настоящей работе обоснованы, рассмотрены влияния аномальных метеорологических условий на поражающие факторы при аварии резервуаров и газопроводов. Аномальными метеорологическими условиями считаются низкие температуры окружающей среды (от 0 до минус 60 С), мощные продолжительные температурные инверсии (положительный градиент температуры по высоте) и частые застои воздуха (0-1 м/с). Эти условия считаются аномальными, так как значительно изменяют физические эффекты от аварий. Анализ риска - новое научное направление. В нашей стране становление этого направления связано с именами В.А. Акимова, В.Т. Алымова, Р.Н. Бахтизина, М.Г. Баширова, П.Г. Белова, М.В. Бесчастнова, А.А. Быкова, О.М. Волкова, А.Н. Елохина, A.M. Козлитина, В.А Котляревского, И.Р. Кузеева, И.И. Кузьмина, В.А. Легасова, М.В. Лисанова, А.В. Лыглаева, Н.А. Махутова, В.В. Меньшикова, В.В. Москвичева, А.С. Печеркина, Б.Е. Прусенко, A.M. Ревазова, B.C. Сафонова, В.И. Сидорова, М.Х. Хусниярова, А.А. Швыряева, В.В. Яковлева и др. крупных специалистов.

Теоретические и практические вопросы анализа риска потенциально опасных объектов изложены на русском языке в ряде переводных [61, 104, 105] и отечественных [1,3, 8, 32,40,42,43, 54, 69, 84, 97,110] изданиях.

За прошедшие годы отмечается бурное развитие исследований в данном направлении [2,7,24,31,33,41, 44 - 49, 53, 55 - 58,60,64,68,73, 74, 85, 86, 91, 95].

Под оценкой риска понимается процесс, используемый для определения степени риска анализируемой опасности для здоровья человека, имущества или окружающей среды. Оценка риска включает анализ частоты, анализ последствий и их сочетание [88].

В руководящем документе РД 03-418-01 [89] предложена трактовка количественных показателей риска - индивидуального, социального, коллективного, потенциального территориального риска и ожидаемого ущерба: технический риск - вероятность отказа технических устройств с последствиями определенного уровня (класса) за определенный период функционирования опасного производственного объекта; индивидуальный риск - частота поражения отдельного человека в результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий; потенциальный территориальный риск (или потенциальный риск) -частота реализации поражающих факторов аварии в рассматриваемой точке территории; коллективный риск - ожидаемое количество пораженных в результате возможных аварий за определенное время; социальный риск, или F/TV-кривая, - зависимость частоты возникновения событий F, в которых пострадало на определенном уровне не менее N человек, от этого числа N. Характеризует тяжесть последствий (катастрофичность) реализации опасностей; ожидаемый ущерб - математическое ожидание величины ущерба от возможной аварии за определенное время.

До настоящего времени безопасность основывался при эксплуатации опасных объектов на концепции «нулевого риска». Как показывает практика, такая концепция не адекватна законам техносферы. Современный мир перешел к концепции «приемлемого риска» [69], т.е. снижение риска до такого уровня, что ради выгоды, получаемой от эксплуатации объекта, общество готово пойти на этот риск [88].

При управлении промышленной безопасностью основной процедурой является анализ риска. Анализ риска требует использования всей доступной соответствующей информации для идентификации опасностей.

Типовая схема выполнения количественного анализа риска приведена на рисунке 1.1 [100]. Для оценки частот всевозможных сценариев развития аварий широко используется метод "дерева событий". Метод "дерева событий" базируются на статистике аварий и отказов. Наиболее подробные статистические записи протекания аварий могут дать необходимую информацию для построения сценариев развития аварий, также дают возможность оценить вероятности аварийных событий. В данной диссертационной работе основное внимание уделяется сценарному подходу к решению задач идентификации опасностей и оценке вероятностей аварийных ситуаций на основе анализа и систематизации статистических данных аварий резервуаров и газопроводов, произошедших при минусовых температурах окружающей среды.

Оценка зон действия поражающих факторов базируется на разработке математических моделей определения параметров как самих поражающих факторов аварий, так предшествующих к возникновению поражающих факторов явлений, например поведение опасных веществ в окружающем пространстве [69].

В данной работе рассматриваются изменения значений под влиянием низких температур, инверсии таких параметров как интенсивность теплового излучения при пожаре на опасных объектах, избыточное давление ударной волны при взрыве в открытой местности. Также рассматривается вероятность образования взрывоопасной смеси в окружающей среде при аварии резервуаров и газопроводов в аномальных условиях Севера.

Рекомендации по уменьшению риска является завершающим этапом анализа риска. В данной работе рассматриваются рекомендации по уменьшению риска по результатам сравнительного анализа инициирующих частот аварий резервуаров и газопроводов при отрицательных и положительных температурах окружающей среды. Также рассматриваются причины, способствовавшие к возникновению аварий в условиях Севера, приводятся рекомендации по их устранению. Далее рекомендуется при оценках безопасных расстояний учесть аномальные метеорологические условия Севера, которые влияют на дальность зоны действия поражающих факторов.

Основные причины взрыва резервуаров при низких температурах окружающей среды

При оценке условных вероятностей причин возникновения аварий в резервуарах проводилась статистическая оценка аварий, произошедших при минусовых температурах окружающей среды.

В результате наиболее частой причиной аварий со взрывом резервуара является нарушение правил технической и пожарной безопасности.

По результатам анализа статистики аварий при минусовых температурах пожары и взрывы происходили в основном на резервуарах с бензином и нефтью. Случаи пожаров на резервуарах с дизельным топливом и мазутом редки. 76 % взрывов и пожаров произошли на работающих резервуарах, 24 % на очищаемых и ремонтируемых резервуарах.

При неподвижном хранении нефти и нефтепродуктов, когда концентрация их паров в газовом пространстве резервуара достигает состояния насыщения, оценку горючести паровоздушной смеси можно выполнить по температурным пределам взрываемости [26]: где Т - расчетная температура жидкости; Тнпв, ТВпв - соответственно нижний и верхний температурные пределы взрываемости. За расчетную температуру насыщения принимается суточная температура окружающей среды. При низких температурах окружающей среды наиболее опасным является резервуар с бензином и нефтью [26].

При проведении различных технологических операций концентрация паров в газовом состоянии отклоняется от состояния насыщения. В этом случае оценку следует выполнять по концентрационным пределам взрываемости [26]: где Снпв, Свпв - соответственно нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости.

Вследствие низкой температуры вспышки (порядка -40 С) и высокой упругости паров именно бензин представляет повышенную пожарную опасность. При положительных температурах окружающей среды обеспечивается безопасное хранение бензина в закрытом резервуаре за счет поддержания рабочей концентрации паров выше верхнего предела взрываемости. Но при минусовых температурах окружающей среды даже насыщенная концентрация паров бензина в резервуаре находится в области воспламенения [26].

При достижении опасных температурных или концентрационных пределов возможен взрыв. Взрыв паровоздушной смеси в резервуаре, как правило, приводит к подрыву, реже - к срыву крыши с последующим пожаром резервуара.

Не исключена опасность, что взрыв паровоздушной смеси в резервуаре или затяжной пожар резервуара может привести к разрушению резервуара с последующим образованием гидродинамической волны. Гидродинамическая волна способна разрушить соседние резервуары, что увеличит площадь разлива горящего продукта.

Обобщение вероятностей аварий по различным сценариям удобнее всего осуществлять методом деревьев событий (ДС). Широкое использование методов ДС вызвано простотой и ясностью исходной идеи, используемой при постановке задачи моделирования. Построение дерева событий позволяет проследить за последствиями каждого возможного исходного события и вычислить максимальную вероятность главного события от каждого из таких исходных событий.

По результатам анализа и систематизации данных аварий по взрыву резервуаров, произошедших при минусовых температурах (таблица 2.4), разработано «дерево событий» при взрыве резервуара с определением условных вероятностей реализации событий, рисунок 2.2. Сценарий 1, Н(С1)=б,б-10 61/год

«Дерево событий» при взрыве резервуара с нефтепродуктом при минусовых температурах Условная вероятность возникновения инициирующего события - взрыва резервуара, принималась равной 1. Относительные вероятности развития аварийных ситуаций определяли по анализу статистических данных по взрывам резервуаров при минусовых температурах.

Оценим частоту взрыва резервуара при низких температурах по следующей формуле [34]: где взР- количество аварий со взрывом резервуара, произошедшие при минусовых температурах окружающей среды; t2- период эксплуатации резервуаров, год; NP2 - количество резервуаров. Частоту взрыва резервуара при низких температурах оценим по статистике аварий со взрывом резервуаров, произошедших на территории PC (Я).

Перечень аварий со взрывом резервуаров, произошедших при отрицательных температурах окружающей среды на территории PC (Я) представлены в таблице 2.9. Таблица 2.9 - Перечень аварий со взрывом резервуаров, произошедших при отрицательных температурах окружающей среды на территории PC (Я) № п/п Место Объект, дата, категория аварии Краткая характеристика аварии Причина и последствия аварии,описание ущерба оборудованию и производству

1 Нижне-Бестяхская нефтебаза Республика Саха (Якутия) 1994 г. Хлопок паров нефти в резервуаре при отпуске нефтепродуктов через сифонный кран в резервуарном парке нефтебазы. Нарушение правил безопасности при разогреве нефтепродуктов и отпуске нефтепродуктов. Отрыв крыши от стенок резервуара

2 Усть-Таттинская нефтебаза Республика Саха (Якутия) 08.12.1994 г. При отпуске сырой нефти произошло возгорание в резервуаре. В результате этого резервуар вышел из строя из-за сильного изменения цилиндрической формы корпуса. Пожар был потушен. Нарушение технологического процесса при электроподогреве сырой нефти.

3 Нижне-Бестяхская нефтебаза Республика Саха (Якутия) зима 1996 г. Произошло возгорание сырой нефти в резервуаре. Оторвало кровлю резервуара. Корпус не получил больших деформаций. Пожар был потушен. Нарушение технологического процесса при электроподогреве сырой нефти.

Взрыв паров нефтепродуктов в резервуаре механик должным образом не проконтролировал проведение работ по откачке нефтепродуктов из резервуара в бензовоз, что повлекло нарушение правил безопасности и привело к взрыву паров нефтепродуктов в резервуаре. (http://sakhapress.ru/archives/165147) автотранспортного цеха получил термический ожог лица, кистей, грудной клетки, поясничной области, верхних дыхательных путей. Данное происшествие повлекло за собой причинение имущественного ущерба в размере более 900 тысяч рублей.

Материал по авариям резервуаров составлен на основе открытых источников, данных ЗАО НПП ФизтехЭРА. С 1970 по 2013 г. произошло 4 аварий со взрывом резервуара при отрицательных температурах на территории PC (Я). При количестве резервуаров - 1000, времени эксплуатации - 40 лет, частота взрыва резервуара при отрицательных температурах составит 1х104 год "\

Рассмотрим наиболее опасный сценарий - сценарий 4 (рисунок 2.2) -разрушение резервуара с формированием горящей гидродинамической волны прорыва. Условная вероятность этого сценария определяется как произведение условных вероятностей следующих событий: взрыв в газовом пространстве резервуара, пожар, разрушение резервуара с вероятностью Р1 — формирование горящей гидродинамической волны прорыва, разрушение обвалования, растекание горящего нефтепродукта по территории объекта с вероятностью Р2 — поражение соседних резервуаров с вероятностью РЗ — поражение персонала с вероятностью Р4.

Разрушение газопроводов при низких температурах

В стадии возникновения пожара необходимо проанализировать следующие процессы: образование горючей паровоздушной смеси внутри резервуара (п. 2.2) также образование горючей паровоздушной смеси снаружи резервуара.

Рассмотрим образование горючей паровоздушной смеси снаружи резервуара.

Дыхание резервуаров является причиной потерь от испарения нефти и нефтепродуктов, загрязнения окружающей среды и образования горючей паровоздушной среды в наружном пространстве на территории резервуарных парков.

Наиболее значительное скопление пожаровзрывоопасных паровоздушных смесей в окружающей среде имеет место, когда появляются неблагоприятные для их рассеивания метеорологические условия. К опасным метеорологическим условиям относятся застои воздуха, характеризующиеся очень слабыми ветрами О - 1 м/сек (штиль) и температурные инверсии [10, 26, 41, 101].

Инверсия в метеорологии означает аномальный характер изменения какого-либо параметра в атмосфере с увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии, то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения (https://ru.wikipedia.org.).

В работе [101] проведен анализ содержания примесей в воздухе при нарушении условий застоя. В результате выявлено, что усиление ветра до 1-2 м/с вызывает меньшее снижение содержания примесей в атмосфере, чем ликвидация приземной инверсии при сохранении штиля. Ослабление ветра до штиля оказывает двоякое воздействие на содержание примесей в воздухе. С одной стороны, концентрация примесей в приземном слое атмосферы должна сильно возрастать. В то же время неограниченно возрастает подъем перегретых выбросов, которые при отсутствии ветра переносятся в более высокие слои атмосферы и рассеиваются. Однако, если штиль сопровождается инверсией, то для поднимающихся выбросов создается потолок, препятствующий их дальнейшему подъему. В результате концентрация примесей у земли сильно возрастает. Таким образом, наличие штиля или слабого ветра само по себе не может рассматриваться в качестве неблагоприятной ситуации, опасным оказывается сочетание штиля с инверсией [10, 26, 41, 101].

В холодное время года всю территорию Восточной Сибири охватывает мощный сибирский антициклон, в котором происходит формирование континентального воздуха, в нижних слоях более холодного, чем арктический. Формирование континентального воздуха в зимнее время при ясной тихой погоде, способствующей большой потере тепла земной поверхностью в результате излучения, приводит к сильному охлаждению воздуха снизу и образованию мощных инверсий, т. е. к возрастанию температуры с высотой [38].

Зимние инверсии в Восточной Сибири имеют сложный характер, они представляют сочетание антициклонических и радиационных инверсий. В зимних условиях над континентами, особенно при наличии снежного покрова, возникают два процесса: радиационное охлаждение и нисходящее антициклоническое движение воздуха, которые друг друга взаимно усиливают. Вследствие этого радиационные нижние инверсии переходят на высоте в радиационно-антициклонические. Вертикальная протяженность таких комбинированных инверсий может достигать 1—2 км и более [38].

Из данных работы [101] повторяемость неблагоприятных условий (штиль и приземная инверсия) в зимнее время составляет 0,8 в Алма-Ате, 0,78 в Красноярске, 0,79 в Иркутске.

Районом исключительно мощных и продолжительных инверсий является Якутия. Для холодного времени года, особенно с декабря по февраль, для большей части территории характерны слабые ветры и штили, которые обусловливают слабое перемешивание воздуха, а следовательно - слабый вертикальный теплообмен, поэтому здесь возникают мощные приземные инверсии, которые усиливаются в горных районах [4].

Глубокие инверсии устанавливаются в течение зимы в долинах рек Колымы, Яны, Индигирки. Радиационные инверсии здесь также усиливаются под влиянием орографии: в результате застоя на дне долин стекающего со склонов холодного воздуха. Как интенсивность, так и вертикальная протяженность приземных инверсий в Якутии достигают существенных значений. Средняя мощность инверсий в период с ноября по март превышает 1000 м и достигает в декабре и январе 1150—1250 м [38]. Таким образом, как интенсивность, так и вертикальная протяженность приземных инверсий в Якутии достигают существенных значений. Столь большую мощность следует объяснить совместным действием нескольких факторов: выхолаживанием подстилающей поверхности за счет радиационного излучения, особенностями местоположения и антициклоническим сжатием [38]

В Якутии уже в сентябре продолжительность непрерывных инверсий составляет 5—7 дней, а к октябрю возрастает до 10 дней и более. В течение трех зимних месяцев сохраняется непрерывное инверсионное распределение температуры воздуха. В марте здесь еще отмечаются длительные инверсии с высокими значениями градиентов. В апреле число дней с инверсиями составляет 15—17, причем в 8—10 из них инверсия сохраняется непрерывно [4].

Таким образом, в зимний период на всей территории Восточной Сибири устанавливаются мощные, круглосуточные инверсии с перепадами температур в зоне инверсий 7—16 С. В марте под влиянием солнечной радиации и турбулентного перемешивания в большинстве районов они начинают разрушаться [38].

В летние месяцы в основном преобладают ночные инверсии со сравнительно невысокими значениями градиентов и небольшой вертикальной протяженностью.

Таким образом, при низких температурах атмосферного воздуха имеет место учета аномальных условий, которые связаны с образованием мощных инверсий и штилей. Эти условия значительно затрудняют рассеивание примеси в атмосфере, что приводит к скоплению опасной смеси снаружи резервуара.

Вероятность образования горючей смеси в окрестности резервуара рассчитывают по формуле [26]: гс = "ТР ОМУ , (2.22) где Ртр - вероятность технологического режима с концентрированным выбросом паровоздушной смеси; РОМУ - вероятность опасных метеорологических условий. Рассмотрим сравнение вероятностей появления опасных метеорологических условий (штиль и приземная инверсия) при отрицательных и положительных температурах окружающей среды. Для сравнения возьмем метеоданные зимнего и летнего периода п. Оймякон.

Так как, Оймякон в зимнее время характеризуется продолжительными инверсиями, вероятность появления опасных метеорологических условий будет зависеть в основном от вероятности возникновения штиля (скорость ветра менее 1 м/с). В летнее время в основном преобладают ночные инверсии. Таким образом, в летнее время вероятность появления опасных метеорологических условий будет зависеть от вероятности возникновения штиля в ночное время.

По результатам анализа и систематизации статистических метеоданных получены вероятности появления опасных метеорологических условий (инверсии в сочетании со штилем) по месяцам в зимнее и летнее время в п. Оймякон. Результаты представлены в таблицах 2.14, 2.15.

Рекомендации по снижению риска аварий резервуаров и газопроводов в условиях Севера

Анализ разрушений резервуаров при низких температурах (ниже -50 С) показывает, что предельное состояние сооружения определяется как хрупкое разрушение, имеющее внезапный характер.

Рассмотрим сравнение частот хрупкого разрушения при экстремально низких температурах с частотами при умеренных температурах. В работе [103] приведены данные о частотах хрупкого разрушения резервуаров при умеренных температурах и составляют 4-Ю"6 год"1. Из сравнения видно, что частота разрушения резервуаров при экстремально низких температурах (1,75 х 10"4 год _1) в 43 раза выше, чем при умеренных температурах (4-Ю"6 год"1). Это объясняется охрупчиванием материалов конструкций при экстремально низких температурах окружающей среды.

При низких температурах повышается предел текучести, но сопротивление отрыву практически не изменяется. Поэтому отрыв становится возможным прежде, чем наступит пластическое состояние. При низких температурах ударная вязкость сталей может снизиться от 2 до 10 раз, также происходит смещение второй критической температуры. Методы оценки второй критической температуры вязко-хрупкого перехода для тонкостенных металлоконструкций представлены в работах Махутова Н.А., Лыглаева А.В., Большакова A.M. [67].

Таким образом, влияние экстремально низких температур (минус 50 С и ниже) является существенным на разрушение резервуаров, но не единственным. На хрупкое разрушение резервуаров также влияют наличие дефектов и появление дополнительных напряжений. Дополнительные напряжения могут возникнуть при неравномерной осадке основания резервуаров под влиянием сезонного промерзания и оттаивания грунта. Сочетание всех неблагоприятных факторов приводит к хрупкому разрушению резервуаров.

Далее рассмотрим аварии со взрывом внутри резервуара, произошедшие на территории Республики Саха (Якутия), (таблица 2.9). Из таблицы 2.9 видно, что аварии со взрывом резервуаров происходили только при отрицательных температурах окружающей среды. Основными причинами аварий являются нарушения правил технической и пожарной безопасности. В зимних условиях требуется подогрев нефтепродуктов, что способствует возникновению дополнительных факторов опасностей, связанных с возможными взрывами и пожарами. Аварии со взрывом резервуаров в основном происходили из-за нарушения технологического процесса при электроподогреве нефтепродуктов.

Далее рассмотрим сравнение частот взрыва внутри резервуаров, произошедших при отрицательных температурах на территории Республики Саха (Якутия) с общими среднестатистическими данными аварий со взрывом резервуаров, произошедшие по всей России. Для сравнения частот взрыва резервуаров были использованы данные приведенные в работе [96]. В работе [96] частота взрыва резервуаров со стационарной крышей составляет 3,3-10"4 год"1. В диссертационной работе частота аварий со взрывом внутри резервуара, произошедших при отрицательных температурах, составила 1 -10"4 год"1 .

Из сравнения видно, что частота взрыва резервуара при отрицательных температурах на территории Республики Саха (Якутия) ниже , чем при умеренных температурах в 3 раза.

Тем не менее, при отрицательных температурах возникают дополнительные опасности, связанные с электроподогревом нефтепродуктов. Также замечено, что при отрицательных температурах окружающей среды даже насыщенная концентрация паров бензина в резервуаре находится в области воспламенения. При возникновении искры возможен взрыв.

Рассмотрим сравнение частот аварий с истечением газа из газопровода, произошедших при отрицательных и положительных температурах окружающей среды на территории РС(Я).

На основе анализа статистических данных аварий газопроводов произошедших при отрицательных температурах с 1970 по 2013 г., частота истечения газа из газопровода составила 3,2х10"4 1/(кмтод), при положительных температурах- 1,6 х 10"4 1/(кмтод).

Из сравнения видно, что частота истечения газа из газопровода при отрицательных температурах в 2 раза выше, чем при положительных температурах. Это объясняется охрупчиванием материалов конструкций при низких температурах окружающей среды. Рассмотрим сравнение частот истечения газа из газопровода при низких температурах с частотами при умеренных температурах. В работе [73] приведены данные о частотах разрушения газопроводов при умеренных температурах и составляют 2,2-10"4 год"1.

Из сравнения видно, что частота истечения газа из газопровода при низких температурах незначительно выше, чем при умеренных температурах. Это объясняется тем, что рабочее давление газа поддерживается ниже установленного, вследствие чего, аварии происходят значительно реже. Тем не менее, основная часть газопроводов эксплуатируется 30 и более лет, поэтому имеется значительных износ линейной части этих газопроводов и эксплуатационный ресурс практически исчерпан. Таким образом, в металлах труб происходит процесс старения. Из-за старения металла труб газопроводов, происходит необратимое изменение механических свойств и характеристик трещиностойкости [13].

Значения частот аварий резервуаров и газопроводов при отрицательных и положительных температурах на территории РС(Я) представлены в таблице 4.1.

Значения частот аварий резервуаров и газопроводов при отрицательных и положительных температурах на территории PC (Я) Частотаразрушениярезервуаров,І/год Частота взрыва резервуаров, І/год Частота истечения газа из газопровода,!/(км тод)

Разработка рекомендаций по снижению риска аварий является завершающим этапом анализа риска. Рекомендации по снижению риска основываются на результатах оценок риска. Можно выделить две группы мер по снижению риска: мероприятия, направленные на уменьшение вероятности аварий и меры, направленные на смягчение тяжести последствий аварии. Рассмотрим возможные меры, направленные на уменьшение вероятности возникновения аварий резервуаров.