Методика предотвращения чрезвычайных ситуаций в резервуарных парках промышленных объектов хранения горючего

Функционирование опасных промышленных объектов топливно-энергетического комплекса, всегда сопряжено с риском неконтролируемого выброса хранимых или транспортируемых нефти или нефтепродуктов, что может привести к потерям материальных ценностей, гибели людей и окружающей природной среды, т.е. к чрезвычайным ситуациям.

Обеспечение промышленной безопасности крупномасштабных хранилищ нефти и нефтепродуктов, особенно в областях с суровыми климатическими условиями, приобретает с каждым днем все большую актуальность [1-3]. Пожары на крупных хранилищах могут иметь катастрофические последствия, как для соседних объектов, так и для окружающей среды. Актуальность оценки риска обусловлена и тем обстоятельством, что, по данным [2], пожары с горением по всей площади крупномасштабного резервуара вряд ли могут быть потушены существующей на сегодняшний день пожарной техникой.

На складах и базах нефти и нефтепродуктов возможны следующие пути возникновения и развития аварий: взрывы в газовом пространстве резервуара; пожары в резервуарах; пожары разлития; гидродинамическая волна прорыва при раскрытии резервуара.

При создании аварийной ситуации в зоне теплового излучения могут оказаться здания и сооружения, в которых находится значительное количество обслуживающего персонала. Поэтому важно знать величину индивидуального риска и ожидаемый ущерб от аварий.

Для оценки рисков таких событий необходимо знать частоту возникновения (λ А ) и условные вероятности (Р А ) развития аварии на объекте, а также вероятности последствий поражающего воздействия на человека, технологическое оборудование, здания и сооружения.

Величина λ А (интенсивность отказов) определялась на основе статистических данных об авариях резервуаров на объектах хранения нефтепродуктов. На основе данных [2, 3] среднестатистическая частота аварий в резервуарных парках объектов энергетики за тридцатипятилетний период с 1960 по 2015 гг. составляет 5,73*10^-4 год^-1 на резервуар.

По данным работ [6-9] и баз данных о статистике аварий и чрезвычайных ситуаций МЧС России и Федеральной службы по технологическому надзору, анализ разрушений резервуаров представлен как частная выборка из генерального статистического массива зарегистрированных случаев пожаров и аварий на резервуарах по стране за период с 1960 по 2018 гг. (рисунок 1).

Усредненная частота возникновения аварии в течение года (из расчета на один резервуар) составляет λ = 3,8×10-2 с дисперсией D = 1.89×10-3 и стандартным отклонением σ = 4,3×10-2 при 95%-м доверительном интервале (3,0×10-2; 4,6×10-2).

Рисунок 1 – Статистика разрушений резервуаров за период с 1960 по 2018 гг.

Переход к частоте аварий конкретных резервуаров нефтебаз возможен при учете их конструктивных особенностей (внутренний объем резервуара), условий эксплуатации и вида хранимого нефтепродукта. С этой целью, используя данные [4-6] о характере распределения разрушившихся резервуаров по видам хранимых жидкостей (рисунок 2), вместимости и объектам хранения определяем частоту аварий в резервуарном парке.

Рисунок 2 – Распределение разрушившихся резервуаров по вместимости

В результате расчётов получаем, что частота аварий в резервуарном парке для резервуаров РВС-1000 может составить 1,15×10-4 в год на резервуар, а для группы однотипных резервуаров в резервуарном парке частота аварий может достигать величины 3,45×10-4 год-1 [7].

Обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов предполагает использование результатов анализа риска аварий и чрезвычайных ситуаций для выработки оптимальных решений по критериям, учитывающим затраты на обеспечение безопасности и показатели экономической эффективности.

Вследствие этого возникает необходимость создания научно-методического аппарата обоснования требований к показателям качества резервуара и противоаварийной защиты, поскольку в настоящее время отсутствуют методы системной оптимизации таких показатели качества, как вместимость резервуара и его надежность с учетом экономического фактора и условий функционирования склада как опасного производственного объекта.

Анализ существующего научно-методического аппарата обоснования параметров резервуарных парков складов и баз нефти и нефтепродуктов показал, что существующее формирование требований позволяет только на концептуальном и программном уровне формировать систему показателей качества, определяющих состав резервуарных парков, а часть методов учитывает только производственноэкономические требования. Но, в современных условиях необходимо учитывать и требования промышленной безопасности, которые с одной стороны обуславливают значительные стоимостные затраты на соответствующие системы противоаварийной и противопожарной защиты и поддержание технологического оборудования на требуемом качественном уровне, но, с другой – обеспечивают гарантию от убытков, понесенных в результате аварий.

Вследствие этого, необходим синтез требований для обоснования показателей качества резервуаров, прогнозирование с помощью частных моделей, учитывающие специфику применения этих средств, особенности их функционирования с учетом требований промышленной безопасности, технологии хранения и модернизации существующей складской базы.

В ходе анализа факторов, влияющих на синтез требований для обоснования показателей качества резервуаров, потребовалось рассмотреть вопрос оптимизации управленческих, технологических и технических решений проектирования и строительства системы складов и резервуарных парков с помощью методологического аппарата, учитывающего:

• -    динамику надежности резервуара в зависимости от прочностных свойств материала и конструкции, а также условий эксплуатации для прогноза количества отказавших резервуаров;

• -    стоимостные параметры строительства и реконструкции резервуарных парков, зависящие от количественного и качественного состава резервуарных парков и выступающие в качестве целевой функции оптимизации;

• -    требования промышленной безопасности к резервуарным паркам, выступающие в качестве ограничения в оптимизационной задаче.

Алгоритм методики обоснования уровня промышленной безопасности резервуарного парка позволяет, последовательно прогнозируя различного рода факторы, влияющие на надежность и, соответственно на уровень промышленной безопасности, уточнять состав системы складов:

• -    определить количество основных и резервных резервуаров в резервуарном парке базы (склада) нефтепродуктов для конкретной вместимости резервуара, которая принимается из параметрического ряда;

• -    рассчитать возможный ущерб при аварийных ситуациях, приняв во внимание эффективность средств автоматизации обнаружения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций;

• -    на основе прогноза возможного ущерба при аварийных ситуациях определить дополнительное количество хранимого горючего на складе и дополнительное количество основных и резервных

резервуаров;

• -    рассчитать затраты на монтаж и эксплуатацию необходимого количества модулей систем обнаружения утечек и пожаротушения на складе согласно рассчитанному варианту аварийной ситуации.

Новизна методики обоснования резервуара заключается в формировании целевой функции, в качестве которой, применительно к современным условиям, была выбрана аддитивная свертка затрат на строительство резервуарного парка, его эксплуатацию, установку систем противоаварийной (ПАЗ) и противопожарной защиты (ППЗ), возможный ущерб, а в качестве ограничения – интенсивность отказов, позволяющими для заданного показателя безопасности, в виде вероятности безотказной работы, отыскивать оптимальный по стоимости вариант вместимости резервуара и состава резервуарного парка, соответствующих ей системы ПАЗ и ППЗ.

При этом адекватность метода обеспечивается применением прогнозных моделей надежности элементов конструкции резервуара на уровне сопоставления их прочностных свойств, рассчитанных в динамике, и реальных эксплуатационных нагрузок, прогнозом результатов воздействия природноклиматических условий.

Принятые допущения, приемлемые для расчетных методов, позволили представить вероятность безотказной работы резервуара в виде произведения вероятностей безотказной работы относительно внезапных и постепенных отказов для последовательно соединенных элементов конструкции резервуара, определяющих уровень надежности резервуара в целом. При этом для прогноза вероятности безотказной работы резервуара относительно внезапных отказов была применена модель «обобщенная нагрузка-несущая способность»

1          R —S           R — S A

Pb (t) = 1 - - [Ф(n) - Ф(-min----)][Ф(m) - Ф(-----max))],

4                 cts                      ст-(t)

• а    относительно постепенных отказов модель вида

k

Рфп (t) = Е P( t) P (t) уст.

i = 1

Для практического применения моделей возникла необходимость формирования опорного уровня надежности и перечня элементов конструкции резервуара, определяющих его надежность в целом, а также прочностные и предельно допустимые параметры этих деталей, их динамику в зависимости от условий эксплуатации и технологии строительства резервуара. Достоверность оценки надежности обеспечивается использованием апробированных моделей постепенных и внезапных отказов, методов теории надежности, введением уточняющих коэффициентов, что позволяет интегрировано, по всем составляющим, определить погрешность и интервально оценить уровень надежности технологического оборудования.

Формирование и формализация опорного уровня надежности, обеспечивающего техническую информацию по прочностным параметрам конструкции резервуара и их приспособительного характера к функциональной и производственной средам, позволили воспроизводить способность резервуара к взаимодействию с производственной и функциональной средами в виде запаса прочности и предельных размеров, изменяющихся в результате разрушающих процессов в ходе эксплуатации резервуара. При этом порядок действий принят следующим:

• -    анализ условий эксплуатации элементов конструкции резервуара, лимитирующих надежность всего резервуара, применительно к условиям его эксплуатации;

• -    синтез сборочных единиц в единую компоновочную схему;

• -    оценка безотказности и долговечности синтезированной схемы на основе конструкционных и технологических параметров и их взаимодействия с окружающей средой;

• -    установление зависимостей интенсивности отказа и стоимостных параметров от вместимости резервуара с учетом состава всего парка;

• -    оценка риска прогноза оптимального значения вместимости резервуара и минимальных стоимостных затрат.

Анализ статистики показывает, что среди дефектов, приводящих к отказу резервуара, основными являются те, которые возникли в результате сплошной коррозии, которая для стенок является причиной в 55 % случаев отказа, а для днища зарегистрирована в 23 % случаев. Среди дефектов, приводящих к отказу кровли, равномерная коррозия наблюдалась в 30 % случаев. Таким образом, в перечисленных конструкционных элементах резервуара наиболее существенным из отказов, регистрируемых в процессе обследований технического состояния, является коррозия, что требует обязательной оценки коррозионных процессов при прогнозе надежности.

Для повышения достоверности прогноза надежности резервуара был использован расчетный метод оценки интенсивности отказов с использованием статистических данных прочностных характеристик и характеристик устойчивости основных элементов конструкции резервуара.

Для этого был обоснован необходимый перечень элементов резервуара, лимитирующих его надежность, для которых определялись прочностные характеристики, а также предельные размеры и скорость разрушающих процессов. Для них, опираясь в целом на существующие принципиальные подходы к оценке надежности технического объекта, был установлен ряд параметров прочностных свойств и рассчитаны нагрузки статического характера. Отличительной особенностью данного подхода является применение коэффициентов, учитывающих вертикальные и горизонтальные нагрузки, которые в значительной степени способствуют более глубокому перекрытию областей прочностных свойств и нагрузок, приводящее в итоге к снижению безотказности и долговечности, особенно, сварных соединений резервуара.

После установления предельного числа знакопеременных циклов наполнения и опорожнения резервуара и периода одного цикла, была вычислена вероятность безотказной работы относительно усталостных отказов и общая вероятность безотказной работы, на основании которой была определена интенсивность отказов.

Таким образом, был получен ряд интенсивностей отказов, соответствующий ряду типоразмеров резервуаров.

Уточненная и конкретизированная целевая стоимостная функция позволила находить численными методами оптимальные значения вместимости резервуара на основе исходной информации в виде динамики интенсивности отказов резервуара в зависимости от его вместимости и условий эксплуатации, ценовых показателей строительства резервуаров, установки модулей системы ПАЗ и ППЗ, прогнозируемого ущерба в результате утечек или разрушения резервуара. При этом в качестве показателя безопасности была принята вероятность безотказной работы, которой был придан смыл безаварийной работы, поскольку в качестве отказа резервуара была принята потеря его герметичности.

Полученные в результате вычислительных операций значения вместимости резервуаров, необходимого количества резервных резервуаров на парк, а также необходимые параметры для систем ПАЗ и ППЗ позволяют сделать вывод о внутренней непротиворечивости полученных моделей и методов, синтезированных в методике.

Представленные решения доказывают установочное положение о влиянии ряда факторов на безопасность эксплуатации резервуарных парков и необходимости обоснования, исходя из требований по объему хранимых нефтепродуктов, применительно к природно-климатическим условиям параметры резервуарных парков в их качественном и количественном составе, а также прогнозирования рационального количества модулей системы ПАЗ и ППЗ. С другой стороны полученные результаты подтверждают вычисляемость методики и возможность практической реализуемости.

Риск прогноза оптимального значения вместимости резервуара адекватен риску прогноза стоимостных показателей и равен произведению вероятностей события нахождения значения показателя в "настоящем" году в заданном интервале Р 2 , центром которого является среднестатистическое значение, и сохранение в "прогнозируемом" году " комплекса условий Р 1 , влияющих на вероятность первого события. Согласно сделанным выше допущениям прогнозируемые значение стоимостных показателей будет находиться в пределах W r^min < W r < W r^max c вероятностью Р 1 Р 2 =0,96, что вполне достаточно для прогноза технических систем с учетом требований промышленной безопасности и предупреждения чрезвычайных ситуаций.

Список использованной литератураы:

• 1.    Федеральный закон о промышленной безопасности опасных производственных объектов № 116-ФЗ от 21 июля 1997 г.

• 2.    Козлитин А.М., Попов А.И. Методы технико-экономической оценки промышленной и экологической безопасности высокорисковых объектов техносферы. Саратов: СГТУ. 2000. 216 с.

• 3.    Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами: Обзорная информация. / В.П. Сучков, И.Ф. Безродный, А.В. Вязниковцев, А.Н. Гилетич, В.П. Молчанов, А.Н. Швырков. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1992. – Вып. 3-4. – 70 с

• 4.    Швырков С.А., Семиков В.Л., Швырков А.Н. Анализ статистических данных разрушений резервуаров.// Проблемы безопасности при ЧС. Вып. 5, 1996. С. 30 – 50.

• 5.    Сучков В.П. Актуальные проблемы обеспечения устойчивости к возникновению и раз-витию пожара технологий хранения нефти и нефтепродуктов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995. 78 с.

• 6.    Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами: Обзорная информация. / В.П. Сучков, И.Ф. Безродный, А.В. Вязниковцев, А.Н. Гилетич, В.П. Молчанов, А.Н. Швырков. // Транс-порт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1992. – Вып. 3-4. – 100 с.

• 7.    Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. М.: Недра. 1995. 230 с.