Чрезвычайные ситуации (ЧС), связанные с применением сжиженных углеводородных газов.
Мамедов Александр Нусратович, главный специалист ООО «Нефтегазмонтаж»
г .Ташкент тел. Моб. +998946351672,
e-mail: mamedov_46@mail.ru.
Аннотация. В статье даются обзор, систематизация и анализ безопасных технологий эксплуатации на предприятиях с использованием сжиженных газов. Приведены особенности возникновения ситуаций для взрыва, развития пожаров на объектах с наличием сжиженных углеводородных газов.
Ключевые слова: сжиженные углеводородные газы, цистерны с сжиженными газами, взрывы и пожары, аварийные ситуации, чрезвычайные ситуации (ЧС), несоблюдения технологического процесса, газонаполнительные станции (ГНС), газонаполнительные пункты (ГНП), автомобильные газозаправочные станции(АГЗС), станции регазификации.
Тема "сжиженные газы" очень интересная и привлекает со дня знакомства с процессом на уроках физики, с прочтения фантастических произведений о сжижении воздуха. В 80-е и-90-е годы у нас в стране ничто не предвещало такого широкого и мощного разворота событий вокруг нового топлива, какое произошло в настоящее время. За последние годы произошел настоящий прорыв в области сжижения природного газа в России, построены и строятся уникальные заводы в местах добычи, в северных областях страны, осваиваются технологии использования сжиженного газа в народном хозяйстве. Для Узбекистана впервые в 1997 году ОАО “ЛЕННИИХИММАШ” разработал технологию получения пропан-бутановой смеси для УДП “Шуртаннефтегаз”, которая предназначена для процесса извлечения пропан-бутановой фракции.
Сжиженные углеводородные газы при грузовых перевозках по железной дороге могут стать причиной ЧС, могут быть взрывы. Они происходят в результате нарушения правил транспортировки взрывоопасных грузов, скопления взрывоопасной смеси на пути следования состава, пожаров, террористических актов. Особенности развития пожаров на объектах с наличием сжиженных углеводородных газов определяются свойствами этих газов.
Наиболее вероятной причиной аварийного истечения продукта является нарушение герметичности оборудования в результате несоблюдения технологического процесса и неисправности противоаварийных систем и устройств. При разгерметизации оборудования и выходе СУГ в атмосферу вследствие высокой скорости испарения могут образовываться паровоздушные облака больших размеров, зависящих от количества мгновенно вышедшего газа или скорости истечения, а также климатических условий (скорости ветра, температуры воздуха).
Воспламенение происходит, как правило, от постороннего источника, так как максимальная температура продукта ниже температуры самовоспламенения. Взрывы сопровождаются выделением большого количества энергии, образованием взрывной и звуковой волны. Ниже речь пойдет о аврийной ситуации, о взрывах, пожарах, о опасностях, связанных с сжиженными углеводородными газами.
Прежде всего, выясним, что такое сжиженный газ. Таким вопросом, кроме специалистов, задаются все большее число владельцев автомобилей, жителей, в домах у которых установлены газовые отопительные приборы, работающие на «привозном газе». Сейчас во всем мире сжиженный газ производят и используют, как высококачественное бытовое и промышленное топливо, что является следствием основных его преимуществ.
Сжиженные углеводородные газы (СУГ) - представляют собой смесь химических соединений, состоящую в основном из водорода и углерода с различной структурой молекул, т.е. смесь углеводородов различной молекулярной массы и различного строения. Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан, в виде примесей в них содержатся более легкие углеводороды (метан и этан) и более тяжелые (пентан). Все перечисленные компоненты являются предельными углеводородами. В состав СУГ могут входить также непредельные углеводороды: этилен, пропилен, бутилен. Бутан-бутилены могут присутствовать в видеизомерных соединений (изобутана и изобутилена).
Учитывая широкое применение в газовом хозяйстве именно СУГ, следует более подробно остановиться на свойствах пропана и бутана.
Плотность жидкой фазы газа зависит от температуры, с увеличением которой плотность уменьшается. При нормальном атмосферном давлении и температуре 15°С, плотность жидкой фазы пропана составляет 0,51 кг/л, бутана - 0,58 кг/л. Паровая фаза пропана тяжелее воздуха в1,5 раза, бутана - в 2 раза. Температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, а сжиженный газ испаряется при более низких температурах. Смесь этих газов отличается особенно высокой теплотой сгорания, составляющей в газовой фазе 22 000— 28000 ккал/м. Удельный вес сжиженных газов 2—2,7 кг/м а удельный вес воздуха 1,6— 2 кг/м.Температура пламени пропан-бутана 2400-2500 °С. Температура кипения: Пропан -420°С Бутан- 0,50°С.
Пропан — это органическое вещество класса алканов. Химическая формула C3H8 Бесцветный газ без запаха, очень мало растворим в воде. Точка кипения -42,1С. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1 до 9,5%. Температура самовоспламенения пропана в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет 466°С.
Бутан (CH) — органическое соединение класса алканов. Такое же название имеет смесь н-бутана и его изомера изобутана CH(CH). Бесцветный горючий газ, без запаха, легко сжижаемый (ниже 0 °C и нормальном давлении или при повышенном давлении и обычной температуре — легколетучая жидкость).
Сырьем для производства сжиженных углеводородных газов (СУГ) является углеводородный газ, попутный нефтяной газ (до 12 %). Наиболее приемлемы в промысловых условиях технологии получения СУГ, основанные на низкотемпературной конденсации компонентов, когда в качестве генераторов холода используются относительно простые и надежные расширители газа, каковыми на сегодня являются дроссельные вентили, турбодетандеры и вихревые трубы (ВТ).
Сжиженные углеводородные газы относятся к низкокипящим жидкостям, способным находиться в жидком состоянии под давлением насыщенных паров. При нормальных условиях объем газообразного пропана больше в 250 раз, чем объем пропана сжиженного, при испарении 1 л сжиженного газа образуется около 250 л газообразного. Сжиженный газ представляет собой ньютоновскую жидкость, поэтому процессы перекачивания измерения описываются общими законами гидродинамики. Но функция углеводородных систем сводится не только к простому перемещению жидкости и ее измерению, но и обеспечению уменьшения влияния «отрицательных» физико-химических свойств СУГ.
Следует учесть и низкую температуру воспламенения пропан-бутана - около 450 - 500 °С, что создает опасность легкого воспламенения и взрыва. Сжиженные углеводородные газы транспортируются в железнодорожных и автомобильных цистернах, хранятся в резервуарах различного объема в состоянии насыщения: в нижней частисосудов размещается кипящая жидкость, а в верхней находятся сухие насыщенные пары.
Объекты хранения и (или) реализации, транспортировки СУГ по газопроводам, в том числе кустовые базы хранения и реализации сжиженных углеводородных газов и газонаполнительные станции (ГНС), газонаполнительные пункты (ГНП), автомобильные газозаправочные станции(АГЗС), станции регазификации (испарители), резервуарные установки для промышленного и(или) коммунально-производственного назначения терминалы хранения сжиженных углеводородных газов и их слива-налива для транспортировки сжиженных углеводородных газов речными и морскими судами; железнодорожные эстакады слива-налива сжиженных углеводородных газов, а также железнодорожные пути к эстакадам, и т.д. При снижении температуры в резервуарах часть паров сконденсируется, т. е. увеличивается масса жидкости и уменьшается масса пара, наступает новое равновесное состояние. При повышении температуры происходит обратный процесс, пока при новой температуре не наступит равновесие фаз. Таким образом, в резервуарах и трубопроводах происходят процессы испарения и конденсации, которые в двухфазных средах протекают при постоянном давлении итемпературе, при этом температуры испарения и конденсации равны. Упругость паров СУГ
возрастает с повышением температуры и уменьшается с ее понижением.
Это свойство сжиженных газов является одним из определяющих при проектировании систем хранения и распределения. При отборе из резервуаров кипящей жидкости и транспортировании ее по трубопроводу часть жидкости испаряется из-за потерь давления, образуется двухфазный поток, упругость паров которого зависит от температуры потока, которая ниже температуры в резервуаре. В случае прекращения движения двухфазной жидкости по трубопроводу давление во всех точках выравнивается и становится равным упругости паров. Даже незначительная утечка может быть очень опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз. Большой удельный вес паров пропан-бутана их свойство образовывать однородную структуру обуславливают возможность растекания этих газов и скопления их в низких местах (ямах, отсеках, колодцах) образовывая вместе с воздухом локальные взрывоопасные концентрации.
Наличие газа в помещении (в воздухе) в количестве от 1,8 до 9,5 % является взрывоопасной концентрацией, способной при открытом огне или искре стать причиной взрыва большой разрушительной силы. Вдыхание воздуха с 10% газа вызывает головокружение. Значительные концентрации газа вызывают опьяняющее действие.
Чистое горение газа (минимум продуктов сгорания) делает его экологически чистым топливом для широкого применения в жилых домах (отопление, горячее водоснабжение, газовые плиты, нагрев саун и воды в бассейнах), на агрофермах, в производстве, в качестве автомобильного топлива.
Октановое число газового топлива выше, чем бензина, поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества. Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в двигателе с повышенной степенью сжатия. Среднее октановое число сжиженного газа - 105 - недостижимо для любых марок бензина. При этом скорость сгорания газа немного меньше, чем у бензина. Это снижает нагрузки на стенки цилиндров, поршневую группу и коленчатый вал, позволяет двигателю работать ровно и тихо. Существуют схемы эксплуатации автомобиля с гибридной системой питания. Автомобиль сохраняет полноценную бензиновую систему питания и при этом может работать и на природном, и на нефтяном газе. Баллоны для сжиженного нефтяного газа могут устанавливаться в различных местах автомобиля: в багажном отделении, в кузове, на раме шасси. Иногда встречаются варианты нетрадиционной схемы установки баллонов и, в частности, на крыше кабины водителя.
В большинстве случаев, говоря о сжиженных газах, мы подразумеваем углеводороды соответствующие ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового потребления» и ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта». Они представляют собой смесь, состоящую в основном из пропана, бутана и изобутана.
Существуют и строго соблюдаются правила при проектировании, строительстве объектов с СУГ, квалифицированной эксплуатации оборудования на предприятиях. Ошибки, нарушения приводит к авариям с тяжелыми последствиями.
Например, при взрыве емкости, в которой находится 100 т сжиженного пропана, радиус зоны детонационной волны равен 80м, радиус зоны действия продуктов взрыва 136м, в зоне действия воздушной ударной волны - при радиусе 300 м избыточное давление равно около 60 кПа ,что соответствует зоне сильных разрушений и травм. Это объемный взрыв – страшная реальность нашего технологического времени. Он происходит, когда срабатывает не один лишь точечный заряд взрывчатого вещества определенной массы, а одновременно взрывается весь огромный объем горючего газа, в смеси с воздухом образующий словно бы единую бомбу гигантских размеров.
Железнодорожные цистерны для перевозки СУГ изготавливаются из высококачественных и прочных материалов, не вступающих в реакцию с перевозимым грузом. Цистерна представляет собой сварной цилиндрический резервуар со сферическими днищами, расположенный на четырехосной железнодорожной платформе. Перед каждым рейсом вагоны проверяются на наличие неисправностей во избежание утечки газа. Все емкости проходят государственную аттестацию, чтобы быть допущенными к перевозке сжиженных газов. Все железнодорожные вагоны-цистерны для перевозки сжиженных углеводородных газов оснащены надежными запорными устройствами, приборами контроля за состоянием груза внутри емкости, в особенности давления. Переход жидкости в газообразное состояние должно быть исключено. Хранение газов в цистернах строго запрещено. Поэтому заправка газа происходит цистерны непосредственно перед выездом, загрузка на 85% от объема цистерны. После доставки в место назначения груз сразу же перекачивается в специально отведенное хранилище.
Конструкция оснащена приборами замера уровня, температуры и давления жидкости в сосуде, предохранительными клапанами, устройством безопасного сброса вещества в атмосферу. Предусмотрена собственная система пожаротушения.
Ручная запорная арматура для налива/слива продукта расположена с одной или по обе стороны резервуара в зависимости от модели оборудования.
Сжиженный пропан относится к жидкостям, у которых критическая температура выше, а точка кипения ниже окружающей среды. Основное отличие жидкостей данной категории заключается в явлении «мгновенного испарения», которое возникает тогда, когда в системе, включающей жидкость, находящуюся в равновесии со своими парами, понижается давление. Через некоторое время устанавливается новое состояние равновесия, причем температура кипения жидкости будет ниже. Доля мгновенно испарившейся жидкости зависит от температуры окружающей среды. Мгновенное испарение протекает интенсивно. Как только внешняя поверхность массы жидкости освобождается от своего пара, и внешний слой распадается, происходит освобождение нижнего слоя. При этом образующийся при расширении пара импульс приводит к выносу пара в окружающую атмосферу, где он смешивается с воздухом, образуя облако паровоздушной смеси. Размер парового облака, образующегося при полном разрушении резервуара со сжиженным газом, будет зависеть от степени заполнения сосуда жидкостью в момент разрыва. Чем меньше степень заполнения резервуара, тем меньше возрастает первоначальный объем пара.
Поскольку плотность паров большинства СУГ больше плотности воздуха, паровоздушные облака могут дрейфовать в приземном слое атмосферы на значительные расстояния. При загорании таких облаков может происходить их быстрое сгорание без взрыва в виде вспышки либо сгорание со взрывом с образованием волны сжатия.
Сгорание со взрывом с образованием волны сжатия может произойти, когда паровоздушным облаком охвачены загроможденные участки территории (полузамкнутые объемы, технологическое оборудование с высокой плотностью размещения, лесные массивы), а также при попадании в облако открытых длинных труб, полостей, каверн.
При разгерметизации оборудования, в котором сжиженный газ находится под давлением, образуются паровоздушные струи, загорание которых приводит к образованию веерных струйных факелов, а также струйных факелов, близких к осесимметричным. Воздействие таких факелов, имеющих зачастую большую длину, на оборудование приводит к его повреждению и вовлечению в горение все большего и большего количества газа.
При тепловом воздействии струйного факела или горящего пролива на резервуары со сжиженным газом возможно их разрушение с образованием огневых шаров с большими радиусами смертельного поражения людей тепловым излучением.
При хранении сжиженных газов в изотермических наземных хранилищах большую опасность представляет возможное разрушение таких хранилищ. Образующаяся в этом случае гидродинамическая волна может разрушить обвалование или перехлестнуть через него с образованием проливов больших площадей. При испарении сжиженного газа из такого пролива образуются паровоздушные облака больших размеров. Горение таких проливов может приводить к возникновению пожаров на близлежащих объектах.
Одной из особенностей пожаров на объектах хранения и переработки сжиженных углеводородных газов является возможное цепное развитие пожара по принципу "домино".
Сжиженные газы обладают высоким коэффициентом объемного расширения, например, в 3,5 раза больше чем у керосина, поэтому при нагревании возможно быстрое повышение давления внутри резервуара и его разрыв.. Большая скорость испарения СУГ и низкие концентрационные пределы распространения пламени (пропан: НКПР = 2,3%, ВКПР = 9,4%, бутан: НКПР=1,8%, ВКПР = 9,1%) обуславливают быстрый рост взрывоопасных концентраций в значительных объемах. Так, из одного литра бутана при t = -4°С с площади 1 м2 может образоваться взрывоопасная концентрация в течение 1,5 мин в объеме до 13 м2. Газ, образующийся при испарении СУГ, не поднимается мгновенно вверх, а некоторое время до нагрева распространяется над поверхностью земли в виде облака. Хотя пары сжиженного газа бесцветны, облако будет белым из-за конденсации и замерзания водяных паров, содержащихся в воздухе. Диаметр облака обычно больше его высоты. Распространение облака воспламеняющегося пара зависит не только от скорости отбора тепла пролитым сжиженным газом, но и от типа и размера системы транспорта и хранения СУГ, а также от природных условий во время разлива (ветер, влажность, температура). высоты. В следствии высокой плотности и значительной диффузии газы стелятся по земле и могут в безветренную погоду в открытом пространстве локальные взрывоопасные концентрации.
При резком вытекании сжиженного газа возникает явление электризации, появление электрического потенциала, в результате разряда которого могут появиться искры, сопровождаемые взрывом или пожаром.
Ошибки при проектировании, строительстве объектов с СУГ, неквалифицированная эксплуатация оборудования на предприятиях, приводит к авариям с тяжелыми последствиями. Свидетели взрывов сжиженных газов отмечают, причины которых предшествовали развитию трагических событий. Это элементарная безграмотность эксплуатации, при попустительстве проектировщиков и надзорных органов.. Налицо низкий уровень обеспечения взрывопожаробезопасности.
Статистика аварий показывает,что основными причинами аварий являются:
1 – Ошибки персонала (30%);
2 – Нарушение технологического процесса (25%);
3 – Отказы средств регулирования и защиты (20%);
4 – Пропуск через фланцевые соединения (10%);
5 – Коррозия (5%);
6 – Механические повреждения (5%);
7 – Сбои в подаче электроэнергии (5%).
Об авариях с применением сжиженного газа известно не только из специальной литературы. Довелось принять участие в ликвидации последствий одного крупного происшествия по горячим следам. Авария произошла на участке слива с железнодорожной цистерны в автоцистерны на оборудованном участке. Участок небольшой, но позволил принять сразу 17 цистерн на 2 железнодорожных тупика. Размеры позволяли сливать сразу с 4-х цистерн в автоцистерны. Остальные цистерны просто стояли рядом, ожидая своей очереди. При сливе жидкого пропана из железнодорожной цистерны емкостью 76 м3 существуют строгие правила и последовательность технологической операции. Слив должен происходить под наблюдением кроме прочих руководителей, также расчета пожарной команды с техникой тушения пожаров, в полной боевой готовности. Пути должны быть оборудованы устройством растаскивания цистерн. Этого не было. Слив происходил при вопиющем нарушении всех правил производства этих опасных мероприятий, неквалифицированным персоналом. При возникновении искры изношенного электрического кабеля, произошло его возгорание. Обнаружив открытое пламя, весь персонал разбежался. Огонь, тем временем, перекинулся на автоцистерну и она охваченная пламенем, вскоре взорвалась. Затем стали рваться железнодорожные цистерны. По прибытию спустя несколько часов после аварии, мы застали на участке слива, две чудом невзорвавшиеся цистерны на путях и одну цистерну, лежащую на боку.
Свидетели происшествия отмечают отсутствие заметного интервала времени перед появлением теплового излучения, внезапная вспышка света сопровождалась тепловым излучением. Почти одновременно последовало воздействие ударной волны.
При взрыве осколки были отброшены на 300-400 м. Диаметр огненного шара над землей достигал 45-60 м, а грибовидное облако дыма поднялось на несколько сотен метров. В течение короткого промежутка времени очевидцы наблюдали огневой шторм, распространявшийся в горизонтальном направлении. Обломки зданий разлетались на расстояние 1,2 км от места разрушения. С расстояния 320 км от места взрыва наблюдалось красное зарево. Фактически версия о детонации в случае аварии основана на показаниях очевидцев. Цистерну, лежащую на боку, мы с осторожностью осмотрели и попытались открыть сливной вентиль. Слив был заблокирован клапаном. Блокировка слива происходит инерционным клапаном и для его открытия нужно привести цистерну в вертикальное положение. Это было очень рискованное мероприятие, с цистерной полной сжиженного пропана. Двумя танками зацепив специальным тросом за горловину, при решительных действиях, удалось привести огромную цистерну в устойчивое, вертикальное положение. Как и предполагалось, инерционные клапаны под собственным весом, разблокировали выходное отверстие и сжиженный газ свободно слили в автоцистерны.
Мне очень трудно об этом вспоминать, даже через пятнадцать лет, я посчитал публикацию о ней полезной. Подобная крупная авария редкость в практике. Написание статьи вызвано повышением интереса к теме сжиженного природного газа, призвано ознакомить инженеров занимающихся проектированием объектов нефтегаздобычи и переработки к сжиженным газам, с этой опасной тематикой и повернуть и показать ее со стороны безопасности в процессе становления новейших технологий, эксплуатации .