Проблемы нормативных методов оценки пожаровзрывоопасности объектов трубопроводного транспорта и хранения нефтепродуктов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 614.841.334.1

ПРОБЛЕМЫ НОРМАТИВНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

М. И. Дутчак

ОАО "Институт Нефтепродукт-проект"

В. П. Сучков

Академия Государственной противопожарной службы МЧС России

Проанализированы методы оценки уровня пожаровзрывоопасности объектов трубопроводного транспорта и хранения нефтепродуктов, изложенные в государственных стандартах, нормах пожарной безопасности и правилах взрывобезопасности Госгортехнадзора. Показаны принципиальные расхождения результатов расчета размеров взрывоопасных зон, полученных по различным методикам. На примере типовой нефтебазы проиллюстрирована невозможность выполнения требований действующих нормативных документов при проектировании и строительстве нефтебаз. Предложены пути выхода из создавшейся ситуации.

Предприятия хранения и трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов являются объектами повышенной пожаровзрывоопасности. Это, в основном, нефтебазы и перекачивающие станции со всем комплексом основных и вспомогательных зданий и сооружений, а также расходные склады нефтепродуктов различных предприятий, наливные пункты, автозаправочные станции и топливозаправочные пункты.

Генеральные планы площадок при проектировании строительства новых и реконструкции действующих указанных объектов разрабатываются, главным образом, в соответствии с требованиями строительных норм и правил [1 - 3]. Однако с 1998 г. на указанные объекты распространены требования нормативных документов, в основу которых заложены расчетные принципы определения безопасных расстояний и которые фактически отменяют требования строительных норм и правил, касающихся расстояний между зданиями и сооружениями.

В частности, введены в действие следующие нормативные документы:

• ГОСТ Р 12.3.047-98 [4];

• ГОСТ Р 51330.9-99 [5];

• ГОСТ Р 51330.13-99 [6];

• Общие правила взрывобезопасности для взры-вопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств [7];

• Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей [8];

• Методика оценки последствий аварий на пожа-ровзрывоопасных объектах [9].

С помощью предлагаемых методик регламентировано определять:

• радиусы взрывоопасных зон;

• зоны разрушений в результате взрыва паровоздушного облака, образующегося при разлитии легковоспламеняющихся жидкостей;

• радиусы зон опасного теплового излучения для зданий, сооружений и людей.

Имеется также ряд других нормативных документов, содержащих методики расчета параметров аварийной ситуации, в том числе:

• НПБ 107-97. Определение категорий наружных установок по пожарной опасности [10];

• Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтепродуктообеспечения, расположенных на селитебной территории [11].

Результаты расчетов по указанным методикам отличаются друг от друга и весьма существенно. Продемонстрируем это на примере.

Попытаемся разработать генеральный план некоего гипотетического склада нефтепродуктов вместимостью резервуарного парка 12 тыс. м3, каких в России очень много и которые, согласно существующей классификации, являются мелкими (до 20 тыс. м3).

На площадке склада размером 195 х 175 м кроме резервуарного парка необходимо разместить железнодорожную эстакаду для слива нефтепродуктов из цистерн (ж.д. СНЭ), насосную станцию для перекачки нефтепродуктов, наливные устройства для отпуска нефтепродуктов в автомобильные цистерны, лабораторию, автогараж, сооружения для очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты,

Генеральный план склада нефтепродуктов: 1 - 4 — стальной вертикальный резервуар емкостью 3000 м3 для нефтепродуктов; 5 — АБК; 6 — гараж; 7 — насосная станция; 8 — односторонняя железнодорожная эстакада; 9 — лаборатория; 10 — станция налива светлых нефтепродуктов в автоцистерны; 11 — котельная; 12 — дымовая труба; 13,14 — стальной вертикальный резервуар емкостью 700 м3 для противопожарного запаса воды; 15 — пождепо со складом пенообразователя; 16—трансформаторная подстанция; 17—водонапорная башня; 18 — станция очистки стоков; 19,20—резервуар-отстойник емкостью 200 м3; 21 — канализационная насосная станция производственно-дождевых стоков; 22 — резервуар уловленных нефтепродуктов емкостью 25 м3; 23 — шламонакопитель; 24 — площадка под передвижной насос; 25 — приемный резервуар для гидроэлеватора; 26 — приемный резервуар; 27 — площадка компостирования; 28 — установка для очистки стоков "Бриз-М-5"; 291'2 — ограждающая стенка

трансформаторную электроподстанцию (ТП), котельную, артезианскую скважину с водонапорной башней, резервуары противопожарного запаса воды, пожарное депо, административно-бытовой корпус (АБК) с размещением в нем операторной, материального склада и других помещений.

Расстояния между зданиями и сооружениями примем минимально допустимыми или большими согласно требованиям строительных норм и правил.

Будем считать этот генплан предварительным (рисунок).

Согласно требованиям [7], объекты общезаводского назначения располагаются вне зон разрушения или должны быть устойчивыми к воздействию ударной волны. Административно-бытовые и другие здания, в которых предусмотрено постоянное пребывание людей, должны находиться вне зон разрушения. Здания, в которых расположены помеще-

ния управления (операторные), располагаются вне зон разрушения или должны быть устойчивыми к воздействию ударной волны и иметь в этом случае автономные средства обеспечения нормального функционирования систем и жизнедеятельности людей в аварийной ситуации.

В нашем примере вне зон разрушения следует расположить следующие здания и помещения с постоянным пребыванием людей: АБК, лабораторию, котельную, операторную, автогараж, рабочие бытовки, пожарное депо.

Другие здания без постоянных рабочих мест (ТП, артезианскую скважину с водонапорной башней, резервуары противопожарного запаса воды, сооружения для очистки сточных вод) разместим в зоне разрушений пятого класса, где возможно лишь повреждение остекления оконных рам (с давлением ударной волны не выше 3 кПа).

Рассчитаем безопасные расстояния для зданий и сооружений с помощью методик, изложенных в действующих нормативных документах. В качестве наиболее опасного технологического блока рассмотрим резервуар с бензином. Проанализируем, каковы могут быть последствия аварии в резервуар-ном парке.

Согласно методике, предложенной в документе [7], в качестве сценария аварии следует рассматривать полное раскрытие (разрушение) резервуара. Такой же сценарий предлагают рассматривать и авторы документа [11]. При этом возможны двавари-анта развития аварийной ситуации в зависимости от конструктивного устройства резервуара и площадки вокруг него. Если резервуар имеет двойную стенку или обвалование площадки выполнено в виде железобетонной стенки, рассчитанной на гидродинамическое удержание жидкости, то площадь пролива определяется как площадь площадки межстенного пространства резервуара или как площадь обвалованной площадки за вычетом площади, занятой другими резервуарами, находящимися в группе.

В нашем случае ограждающая стенка выполнена в соответствии с требованиями противопожарных норм [1] и рассчитана на гидростатическое удержание жидкости. Поэтому при полном разрушении резервуара в данном случае нефтепродукт может разлиться не только внутри обвалования, но и за его пределы.

Согласно данным, приведенным в документе [11], для площадок с уклоном менее 1% площадь разлива при разрушении резервуара вместимостью 3000 м3 составит 13500 м2, арадиус зоны разлива— 66 м. При такой площади разлива средняя толщина слоя пролитой жидкости составит около 22 см.

Интенсивность испарения нефтепродукта с поверхности пролитой жидкости зависит от температуры пролитого нефтепродукта, его молярной массы, давления насыщенного пара при расчетной температуре и скорости воздушного потока над поверхностью жидкости. Для определения расчетной температуры обратимся к нормативным документам.

Согласно документу [7], в качестве расчетной следует принимать регламентированную температуру жидкости. Однако при этом необходимо учитывать ее повышение за счет теплоотдачи от поддона (поверхности земли) и окружающего воздуха. В рекомендациях по обеспечению пожарной безопасности [11] предлагается в качестве расчетной принимать среднемесячную температуру окружающей среды для июля.

В ГОСТе [4], судя по примерам, в качестве расчетной предлагается принимать абсолютную максимальную температуру воздуха в местности расположения объекта.

С таким подходом к выбору расчетной температуры трудно согласиться. В соответствии со СНиП [12], абсолютная максимальная температура воздуха выбрана из ряда наблюдений за период 1881 - 1985 гг. Другими словами, такая температура в данном населенном пункте зарегистрирована один раз более чем за сто лет.

Зарегистрированных случаев разрушения наземных вертикальных резервуаров в период абсолютного максимума температуры воздуха в месте аварии не было. Вероятность совпадения аварии такого масштаба с абсолютным максимумом температуры воздуха практически равна нулю. Следовательно, правильнее было бы в качестве расчетной температуры принимать среднюю максимальную температуру воздуха согласно данным документа [12].

Влияние скорости и температуры воздушного потока над поверхностью аварийного пролива характеризуется безразмерным коэффициентом значения которого приведены в таблице документов [4, 7, 11]. Например, при температуре воздуха 20°С при возрастании скорости воздушного потока от 0 до 1 м/с коэффициент ^ увеличивается от 1 до 7,7, и, соответственно, увеличивается интенсивность испарения. Однако с увеличением скорости воздушного потока растет и масса паров, уносимых ветром из зоны испарения и взрывоопасного облака. Поэтому в расчетах, согласно [4, 11], принимается скорость, равная нулю (безветрие), и коэффициент ^ = 1.

Действительно, статистика свидетельствует, что в тихую погоду, особенно при атмосферной инверсии, рассеивание паров нефтепродуктов в воздухе происходит медленно и в основном за счет диффузии.

Масса паров нефтепродукта, поступивших в открытое пространство в соответствии с [4, 7, 10, 11], определяется из соотношения:

ти = юриХ (1)

где ю — интенсивность испарения, кг/(с • м2);

Ри — площадь испарения, м ;

х — время аварийного испарения, но не более 3600 с.

Время аварийного испарения в течение часа принято, вероятно, из предположения, что до его истечения технологическим персоналом и аварийными бригадами аварийный пролив должен быть ликвидирован, либо из предположения, что по истечении указанного времени дальнейшее увеличение взрывоопасного облака не происходит.

Действительно, при непрерывно действующем источнике испарения концентрация паров в облаке (на уровне нижнего концентрационного предела распространения пламени и выше) через некоторое

время устанавливается постоянной (т.е. размеры облака перестают расти) независимо от того, что испарение из пролива продолжается. Очевидно, что время, принимаемое в качестве т, не может быть больше времени установления зоны взрывоопасных концентраций тв. Последнее может быть оценено по модели рассеяния нейтрального газа. Кроме этого времени по данной модели может быть оценено количество паров нефтепродукта во взрывоопасном облаке с концентрацией выше 40 г/м3.

Определим зоны разрушений по различным методикам.

Согласно методике, изложенной в [7], воздействие ударной волны взрыва парогазового облака оценивается с помощью тротилового эквивалента. Авторы в работе [13] убедительно доказали ошибочность такой оценки. Однако будем руководствоваться данной методикой как действующим руководящим документом.

Согласно [7], тротиловый эквивалент определяется из выражения:

Ж =

0,4д 0,9д

-тг,

(2)

где 0,4 — доля энергии взрыва парогазовой фазы (ПГФ), затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; 0,9 — доля энергии взрыва тротилового эквивалента, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; д' — удельная теплота сгорания ПГФ, кДж/кг; д — удельная энергия взрыва тротилового эквивалента, равная 4520 кДж/кг; т — общая приведенная масса паров в парогазовом облаке, кг;

2 — доля приведенной массы ПГФ, участвующая во взрыве.

В общем случае для неорганизованных парогазовых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься равной 0,1. В обоснованных случаях возможно ее снижение до 0,02.

Аналогичные предложения выдвигает автор работы [14]. Однако отсутствие четких разъяснений в документе [7] может приводит к тому, что любое обоснование экспертизой может быть не принято во внимание и отвергнуто.

Радиусы зон разрушения при т > 5000 кг, согласно [7], определяются по формуле

я = к ж,

(3)

где К — безразмерный коэффициент, характеризующий воздействие взрыва на объект (принимается по табл. 2 приложения 2 [7]).

Методика, приведенная в рекомендациях [11], отличается от методики, изложенной в общих правилах [7], тем, что в расчетах используется общая масса паров без учета доли, участвующей во взрыве.

Согласно данной методике [11], радиусы зон разрушений при взрыве парогазового облака определяются из выражения

Я = К (0,45тя )1/3 при тп > 5000 кг,

(4)

где тп — масса паров, испарившихся с поверхности разлива нефтепродукта, кг. Согласно методике, содержащейся в [4], избыточное давление Ар (кПа), развиваемое при сгорании газопаровоздушных смесей, рассчитывают по формуле

АР = Р0

Ч8т033

3т,

0,66

пр

5т

пр

(5)

где р0 — атмосферное давление, кПа;

г — расстояние до разрушающегося технологического оборудования, м; тпр — приведенная масса паров, кг. В данной методике [4] для оценки избыточного давления взрыва парогазового облака используется также тротиловый эквивалент, а в качестве расчетной температуры, при которой происходит испарение жидкости с поверхности аварийного пролива, следует принимать максимально возможную температуру воздуха для соответствующей климатической зоны.

Для нашего объекта примем расчетную температуру tp = 36°С, соответствующую абсолютной максимальной температуре для данной климатической зоны согласно [12].

Методика, приведенная в [8], не рассматривает порядок определения массы паров, поступивших в окружающее пространство за время аварийного испарения жидкостей.

Масса паров в парогазовом облаке здесь принимается как известная величина. Поэтому для расчетов по данной методике принимаем массу паров нефтепродукта, рассчитанную по методике [7].

Эффективный энергозапас Е, МДж, топлив-но-воздушной смеси (ТВС) определяется из выражения:

Е =2Мгдг, (6)

где Мг — масса топлива в облаке, кг;

дг — удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг;

В методике [9] не приведен порядок расчета массы паров, поступивших в окружающее пространство при аварийных проливах. Поэтому в качестве исходных данных принята масса паров, рас-

г

ТАБЛИЦА 1. Зоны разрушений при взрыве TBC, образующихся с аварийного пролива площадью 13500 м2 при полном разрушении резервуара PBC-3000

Радиус зоны разрушения, рассчитанный Кгасс ИзбытоЧное по различным методикам, м

зоны давление [7] [11] [4] [8] [9]

разрушения взрыва, кПа tp ,°C

22,4 22,4 36,0 22,4 22,4

1 > 100 64 67 66 - 200

2 70 95 98 80 - 260

3 28 163 169 135 74 375

4 14 476 492 215 173 850

5 480 445

5 < 2 951 984 1050 1300

считанная ранее, т.е. mu = 12053 кг. B соответствии с данной методикой, кроме зон разрушений, определяемых по номограммам, следует учитывать дрейф облака. При длительном истечении (испарении) дрейф облака принимается равным 150 м.

Режим взрывного превращения определяется аналогично методике [8], исходя из класса вещества и класса окружающего пространства.

Границы зон полных, сильных, средних и слабых разрушений определены по номограмме.

Результаты расчетов по всем методикам приведены в табл. 1.

Используя данные табл. 1, приходим к выводу, что безопасное расстояние для зданий с постоянным пребыванием людей находится далеко за пределами нашей площадки. Такие результаты расчетов явно противоречат значениям допустимых расстояний, установленных строительными нормами и правилами. Очевидно, что на результаты расчетов решающее значение оказывает площадь аварийного разлива нефтепродукта.

B работе [15] приведены данные об авариях с полным или частичным разрушением резервуаров за двадцатилетний период (1970 - 1990 гг.) на территории CCCP. За указанный период произошло 11 случаев разрушений резервуаров с нефтепродуктами, которые не сопровождались пожарами и квалифицировались как аварии I - II категорий. Еще 13 разрушений произошли при гидравлических испытаниях резервуаров. Cледовательно, полное разрушение резервуаров — явление довольно редкое. Кроме того, данных о взрывах TBC при полных разрушениях резервуаров не имеется. Было бы целесообразно при оценке возможных последствий аварий ориентироваться на разлив нефтепродуктов в пределах обвалований резервуаров.

Результаты расчетов радиусов зон разрушений при аварийном разливе в пределах обвалования приведены в табл. 2.

ТАБЛИЦА 2. Зоны разрушений при взрыве TBC, образующихся с аварийного пролива площадью 4026 м2 при частичном разрушении резервуара PBC-3000

Радиус зоны разрушения, рассчитанный Класс Избыточное по различным методикам, м

зоны давление [7] [11] [4] [8] [9]

разрушения взрыва, кПа tp ,°C

22,4 22,4 36,0 22,4 22,4

1 > 100 32 33 45 - 190

2 70 47 49 53 - 245

3 28 81 84 90 - 320

4 14 238 245 144 72 400

5 320 228

5 <2 475 489 700 590

Полученные данные расчетов зон разрушений при взрыве парогазовых облаков свидетельствуют, что на территории выбранной площадки размещение зданий и сооружений с постоянным пребыванием людей (лаборатория, гараж, АБК, пожарное депо) невозможно. Для их размещения, в соответствии с требованиями [7], пришлось бы увеличить размер земельного участка в несколько раз. При этом бытовые помещения оказались бы на расстоянии свыше 500 - 700 м от рабочих мест (ж.д. СНЭ, технологическая насосная и др.). В то же время строительные нормы и правила [2] требуют, чтобы такие здания и помещения находились не далее 75 - 150 м от постоянных рабочих мест.

Существует еще одна проблема — управление технологическим процессом с большого расстояния. Оператор лишается возможности визуально, не по приборам, наблюдать за происходящими на территории объекта событиями. Кроме того, в несколько раз увеличивается протяженность коммуникаций систем сигнализации, управления, проти-воаварийной и противопожарной защиты.

Нет ясности и в другом вопросе, касающемся планировки площадок проектируемых объектов. Согласно [7], помещения управления и анализаторные помещения должны быть, как правило, отдель-ностоящими и находиться вне взрывоопасной зоны. Однако правила не уточняют, каким документом следует руководствоваться при определении размеров взрывоопасных зон.

Для обычных условий размеры взрывоопасных зон и допустимые расстояния между зданиями и сооружениями указаны в [16] и подтверждены Государственным стандартом [6]. Однако с выходом стандарта [5] глава 7.3 ПУЭ и стандарт [6] должны быть пересмотрены и приведены в соответствие с международными стандартами МЭК.

В соответствии со стандартом [5], размеры взрывоопасных зон определяются расчетом в зависимости от ряда факторов (интенсивности утечки,

характеристики вещества, технологического процесса и оборудования, вида и уровня вентиляции, климатических условий и др.). Вместе с тем данный стандарт не учитывает последствий аварий.

Для определения размеров взрывоопасных зон при аварийном поступлении горючих паров ненагретых легковоспламеняющихся жидкостей в открытое пространство разработана методика, приведенная в [4]. Согласно данной методике, горизонтальный размер взрывоопасной зоны определяется выражением:

Х НКПР = 3,2^К

\ 0,8

V С НКПР J

тп

\ 0,33

Р пРн

(7)

где тп — масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое пространство за время полного испарения, но не более 3600 с, кг;

Рп — плотность паров ЛВЖ при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг/м3; рн — давление насыщенных паров ЛВЖ при расчетной температуре, кПа; СНКПР — нижний концентрационный предел распространения пламени, % об.; К — коэффициент, определяемый из соотношения К = Т/3600 (Т — продолжительность по-

ступления паров ЛВЖ в открытое пространство, с).

Для нашей гипотетической нефтебазы при гидродинамическом разливе и разливе нефтепродукта только в обваловании для исходных данных, полученных при расчетах выше, размеры взрывоопасных зон равны:

• для массы паров тп = 16864 кг — 223,2 м;

• для массы паров тп = 5027 кг — 155,2 м. Таким образом, и по этому параметру операторная и анализаторные помещения не могут быть размещены на территории выбранной площадки.

Из приведенного примера очевидно, что соблюдение требований действующих нормативных документов с учетом обязательных и рекомендуемых методик, предназначенных для определения безопасных расстояний между зданиями и сооружениями при проектировании потенциально опасных объектов, невозможно.

По нашему мнению, урегулирование противоречий в нормативных документах, касающихся разработки проектной документации на строительство потенциально опасных объектов, по согласованию с Госстандартом, Госгортехнадзором, МЧС и Государственной противопожарной службой МЧС должно взять на себя Минэнерго совместно с Госстроем.

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.11.03-93. Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы.

2. СНиП 2.09.04-87*. Административные и бытовые здания.

3. СНиП И-89-80*. Генеральные планы промышленных предприятий.

4. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ Пожарная безопасность технологических процессов.

5. ГОСТ Р 51330.9-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 10. Классификация взрывоопасных зон.

6. ГОСТ Р 51330.13-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 14. Электроустановки во взрывоопасных зонах (кроме подземных выработок).

7. ПБ 09-170-97. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. — М.: ПИО ОБТ, 1999. — 128 с.

8. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. — М.: Госгортехнадзор России, 2001.

9. Методика оценки последствий аварий на пожаровзрывоопасных объектах. — М.: МЧС РФ, 1994.

10. НПБ 107-97. Определение категорий наружныхустановок по пожарной опасности.

11. Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтепродуктообеспече-ния, расположенных на селитебной территории. — М.: ВНИИПО, 1997. — 50 с.

12. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.

13. Мишуев А. В., Комаров А. А., Хуснутдинов Д. 3. Общие закономерности развития аварийных взрывов и методы снижения взрывных нагрузок до безопасного уровня // Пожаровзрыво-безопасность. 2001. Т. 10. № 6.С. 8 - 19.

14. Сучков В. П., Безродный И. Ф., Вязниковцев А. В., Гилетич А. Н., Молчанов В. П., Швырков А. Н. Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами // Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность. Обзорная информация. Серия: Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. Выпуск3 - 4. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1992. — 100 с.

15. Сучков В. П., Безродный И. Ф., Вязниковцев А. В., Гилетич А. Н., Молчанов В. П., Швырков А. Н. Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами. // Там же.

16. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп., с изм. — М.: Главгос-энергонадзор РФ, 1998.

Поступила в редакцию 21.09.03.