Основні небезпечні фактори, що виникають при відмові магістральних газопроводів

Магістральні газопроводи, як і нафтопродуктопроводи, при їх відмові являють собою екологічну небезпеку. Характерним прикладом є аварія, що сталася 6 лютого на 420-му км. магістрального газопроводу “Новопсков – Акай – Мозок” (Ду – 1200, Рр = 5,5 МПа) в районі селища Велика Вергунка Жовтневого району м. Луганська. Даний газопровід перебуває на балансі Луганського УМГ ДП “Донбастрансгаз”. Аварія виникла з причини руйнування 2-х кільцевих зварювальних стиків, виконаних БУ – 1 тресту “Южкомплектомонтаж” (м. Ростов) ручним дуговим зварюванням. Газопровід на даній дільниці прийнятий в експлуатацію в 1983 році.

Руйнування першого стику сталося на віддалі 48 метрів від автошляху “Луганськ – Зелений гай” та 150 метрів від крайніх житлових будинків селища Велика Вергунка. Внаслідок вибуху 16 п/м газопроводу було піднято під кутом 30 градусів, викинуті бетонні плити і сталося займання газу. Струмінь палаючого газу сягав 200 метрів та був спрямований вздовж траси газопроводу паралельно межі житлової забудови. Полум’ям була охоплена споруда вузла заміру газу на газопроводі – відгалуженні на м. Лисичанськ. Через 1 год. 20 хв. замірний вузол вибухнув.

У подальшому струмінь палаючого газу вітровим потоком відхилився в сторону житлових будинків, с. В. Вергунка. Внаслідок теплої радіації спалахнули 11 житлових будинків, з яких 4 повністю згоріли. У ліквідації та локалізації пожежі брали участь 45 одиниць пожежної техніки, 200 чоловік пожежників та 230 працівників з підрозділів міліції та цивільної оборони. 104 житлові будинки в радіусі 350 метрів від місця аварії були захищені від вогню, мешканці інших будинків евакуйовані. Один мешканець с. В. Вергунка отримав опіки.

Руйнування газопроводу другого зварювального стику сталося на відстані 800 метрів від першого та 280 метрів від залізниці “Луганськ – ст. Кондрашевська”, без займання газу. При цьому зварювальний стик розійшовся на 15 – 20 мм, внаслідок чого утворилася яма розмірами 2,5 х 0,8 х 0,6 м.

В загальному, відмова магістральних газопроводів під дією техногенних, природних чи антропогенних факторів може супроводжуватися:

- утворенням ударної хвилі;

- загорянням газу і термічним впливом пожежі на довкілля;

- токсичним забрудненням атмосферного повітря;

- створенням пожежно – вибухової небезпеки у житлових та робочих приміщеннях при попаданні у них газу;

- розльотом кусків металу та фрагментів при руйнуванні лінійної частини трубопроводів.

Вплив ударної хвилі

Ударна хвиля при відмові магістральних газопроводів є одним із уражаючих факторів. Вона утворюється за рахунок поширення в атмосфері природного газу, який під тиском “вирвався” із зруйнованого газопроводу, а також стиснутих хвиль, які утворюються при загоранні газового шлейфа з розширенням продуктів згорання.

Володіючи великим запасом енергії, ударна хвиля може уражати незахищених людей, руйнувати різні споруди, будівлі, обладнання, техніку. Із збільшенням відстані від епіцентру вибуху швидкість розповсюдження ударної повторної хвилі і надмірний тиск зменшуються.

Характерним прикладом ударної хвилі може бути аварія на продуктопроводі ШФЛФ Західний Сибір-Урало-Поволжжя (60 км від м. Уфи) у 1989 р. Тут від впливу ударної хвилі в районіі вибуху утворилася зона суцільного звалища лісу на площі 2,5 км2. В радіусі до 15 км від місця вибуху в населених пунктах були вибиті вікна в будинках, зовсім або частково зруйновані рами та шиферні фронтони (покриття). Єнергія вибуху вуглеводневої суміші спеціалістами оцінювалася в 3000 т тротилового еквівалента.

Безпечна віддаль ( )від впливу ударної хвилі підчас викидів газу із трубопроводу, що супроводжується вибухом, визначається за формулою:

де W_Т – тротиловий еквівалент, т:

К_в – коефіцієнт пропорційності, м/т, величина якого залежить від характеру пошкодження навколишніх об’єктів, при цьому:

При проектуванні магістральних газопроводів, визначенні безпечної віддалі від ураження ударною хвилею незахищених людей прийнято К_в = 15.

Термічний вплив

В роботах вчених і науковців ІФНТУНіГ наведені узагальнені результати спостережень за наслідками від руйнування газопроводів на території колишнього СРСР (табл. 2.4.)

Аналіз вітчизняної і зарубіжної статистики свідчить, що при руйнуванні магістральних газопроводів пожежі виникають у 50 – 55 % випадків. Джерелом загоряння газу є іскри, що утворюються при зіткненні одного з одними фрагментів труби або при ударах по трубі твердих частинок ґрунту.

Таблиця 2.4

Масштаби наслідків від руйнування магістральних газопроводів

Аналіз вітчизняної і зарубіжної статистики свідчить, що при руйнуванні магістральних газопроводів пожежі виникають у 50 – 55 % випадків. Джерелом загоряння газу є іскри, що утворюються при зіткненні одного з одними фрагментів труби або при ударах по трубі твердих частинок ґрунту.

Динаміка займання газового шлейфа досліджувалась А. Хоффом . За допомогою спеціальної швидкісної кінозйомки було встановлено, що при загоранні суміші газу з повітрям відбувається швидке (миттєве) згоряння лише малої частки шлейфа. Основна горюча маса не є гомогенною і згоряє зі значно меншою швидкістю ( ) окремими зонами (об’ємами).

За деякими іншими даними, приблизно у половині випадків аварійного руйнування магістральних газопроводів загоряння газу відбувається безпосередньо на місті розриву. Характер горіння газу і масштаби впливу на довкілля залежить від багатьох факторів, основними серед них є:

- робочий тиск і діаметр газопроводу;

- густина ґрунту засипки, а також властивості корінного масиву ґрунту (діаметр утвореного “котлована”);

- взаємне положення осей кінців труб, що регулює поле газодинамічного витоку.

Для струминного полум’я, що виникає при відмові трубопроводів високого тиску з наступним загорянням витікаючого газу, форма зони ураження описується кутовим сектором з довжиною факела, яка залежить від специфіки горіння (властивість газу, тиску і діаметру трубопроводу) і з приблизним “кутом розкриття” факела для вуглеводних газів метанового ряду 15 – 20 град.

ВНДІГАЗ’ом виконані спеціальні модельні експерименти що до вивчання особливостей горіння двох зустрічних звукових струменів метану при руйнуванні магістральних газопроводів, за різних варіантів утворення “котловану” і різної орієнтації у просторі осей двох кінців труб. Експерименти та розрахунки дозволили дійти висновку, що газодинамічні та калориметричні характеристики факела, його конфігурація і просторова орієнтація (як наслідок, рівень теплової дії на навколишнє середовище) є неоднозначними і залежать від дії великої кількості факторів. Для ілюстрації на рис.2.1 показана зміна (у вертикальній проекції) контурів полум’я при відхиленні осей кінців труб від горизонталі, а також – при взаємодії горизонтальних струменів у траншеї.

Для інженерних прогнозів можливих зон термічного ураження людей при пожежах на газопроводах є доцільним користуватися даними фірми “Брітіш Газ” . Фірмою за результатами здійсненої великої серії натурних експериментів одержані залежності деякої “критичної відстані” від діаметра трубопроводу і робочого тиску. Критичну відстань характеризує собою радіус кола, на межі якого питомий тепловий потік на поверхні землі становить 32 КВт/м².

Для розрахунку довжини факелів за відмови магістральних газопроводів припускають, що полум’я є тримірним об’ємним тілом і наближається до зрізаного конусу, що спрямований меншою основою до місця витоку газу.

Довжину факела можна визначити за допомогою наступної формули

;

де L_B – довжина факела з врахуванням швидкості вітру, м;

L_Bo – довжина факела у безвітряну погоду, м;

w_в – швидкість вітру, м/с;

- кут нахилу трубопроводу до горизонту, град.

Розахунок випромінювання від факела у навколишнє середовище грунтується на моделі Тортона Опромінювання певної точки у просторі розраховується як:

,

де j - кутовий коефіцієнт опромінення;

- коефіцієнт поглинання випромінювання атмосферою;

Е – інтенсивність випромінювання з одиниці поверхні полум’я розраховується за формулою:

де Q_ф – загальне тепловиділення факела;

F_ф – площа поверхні випромінювання факелом.

Слід відзначити, що федеральними стандартами США припускається короткочасний тепловий вплив на людину потужністю у 5 кВт/м². При тепловому впливі опіки ІІ-го ступеня можуть виникнути приблизно через 40 с. Рівень теплового впливу, за якого у цей же проміжок часу є вірогідним летальний наслідок, відповідає приблизно 10 кВт/м².