Определение возможных сценариев возникновения, развития и вероятности возникновения аварийных ситуаций на нефтепроводе

"Научный аспект №7-2024" - Техносфер. безопасн.

УДК 614.8.084

Бурганов Амир Шамилевич – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Вафин Булат Рафисович – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Гайнуллина Диана Ильгизовна – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Баймурзина Айсылу Айдаровна – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Аннотация: В рамках данной статьи рассмотрен метод определения возможных сценариев возникновения, развития и вероятности возникновения аварийных ситуаций на нефтепроводе. Проведен анализ, построено дерево отказов, также были проведены расчеты возникновения событий. Были выявлены вероятные исходы событий.

Ключевые слова: нефтепровод, риски аварий, дерево отказов, герметизация трубопровода, авария на трубопроводе, транспортировка нефти.

Нефтепроводы являются важнейшим элементом инфраструктуры для транспортировки нефти и нефтепродуктов на большие расстояния. Однако, как и любые другие сложные технические системы, нефтепроводы подвержены риску возникновения аварийных ситуаций, которые могут иметь серьезные последствия для окружающей среды, здоровья населения и экономики.

Определение возможных сценариев возникновения, развития и вероятности возникновения аварийных ситуаций на нефтепроводе является важнейшим шагом в обеспечении безопасности и надежности его эксплуатации. Это требует глубокого понимания потенциальных источников опасности, а также факторов, которые могут способствовать развитию аварийной ситуации.

Нефтепроводы – это сложные инженерные системы, и аварийные ситуации на них могут быть вызваны различными факторами. Некоторые из возможных сценариев возникновения и развития аварийных ситуаций на нефтепроводах могут включать:

1. Механические повреждения, например, аварии могут возникнуть из-за повреждения трубопровода при ремонтных работах, строительстве работах, стихийном бедствии или дефектах материалов.
2. Коррозия, в результате длительной эксплуатации нефтепровода может привести к коррозии материалов, что в свою очередь может вызвать утечку нефти.
3. Неправильная эксплуатация в результате ошибки в управлении и мониторинге нефтепроводов, а также несоблюдение технических рекомендаций и стандартов могут привести к аварийным ситуациям.
4. Столкновения со строительными или транспортными средствами могут привести к повреждению нефтепровода.
5. Наводнения, сильные ветры, землетрясения и другие стихийные бедствия могут вызвать аварийные ситуации на нефтепроводах.

Для предотвращения аварийных ситуаций на нефтепроводах необходимо проводить регулярное техническое обслуживание, мониторинг состояния трубопроводов, обучать персонал правилам безопасности и соблюдать все стандарты и процедуры эксплуатации. Важно также иметь план действий в случае возникновения аварийной ситуации и проводить регулярные тренировки сотрудников по его выполнению.

По принципам действия и типам применяемого оборудования методы обнаружения утечек можно классифицировать способом на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация методов обнаружения утечек по принципам действия и типам применяемого оборудования.

Методы обнаружения утечек по внешним признакам в основном предполагают использование специальных сенсорных устройств для мониторинга внешней части трубопроводов. Они могут быть использованы для определения неисправностей в окружающей трубопровод среде, а также для обнаружения утечек. Независимо от принципов работы, на которых основаны данные методы измерения, они требуют определенного физического контакта между датчиками и контролируемой инфраструктурой. Примерами таких устройств являются акустическое, оптоволоконное зондирование, отбор проб паров, инфракрасная термография и радар для обнаружения грунта.

Статистический анализ зарегистрированных патентов в сфере обнаружения утечек на трубопроводе представлен на рисунках 2-3.

Рисунок 2. Публикации патентной информации по годам.

Исходя из графика, можно сделать вывод, что количество публикаций патентной информации по теме исследования значительно возросло и достигло своего пика в 2022 году.

Рисунок 3. Публикации патентной информации по странам.

По графику видно, что Китай и Россия являются лидерами по количеству зарегистрированных патентов в данной области. Это указывает на то, что данная проблема является актуальной для нашей страны и ведется постоянная работа по разработке технологий для ее решения.

Проведенный патентный анализ показал, что разработка технологий и методов для эффективного обнаружения утечек является актуальной и востребованной задачей. Полученные результаты позволили выявить современные тенденции и инновации в данной области, а также определить направления для дальнейших исследований и разработок. Это подчеркивает важность и значимость проводимого исследования в контексте глобальных усилий по повышению безопасности и надежности магистральных трубопроводов.

Наиболее распространенным методом оценки опасности и аварии является использование логико-вероятностных моделей «дерево отказов» и «дерево событий». Эти методы широко используются в мире для анализа рисков аварий на объектах повышенного уровня опасности. Их используют как для предварительного анализа безопасности при разработке рекомендаций по снижению риска, так и для расследования причин аварий на опасных объектах [1].

На основе статистических данных основных причин аварий, связанных с утечками, для оценки риска разработано типовое «дерево отказов» при разгерметизации магистрального трубопровода (рисунок 4).

Рисунок 4. «Дерево отказов» при разгерметизации магистрального трубопровода.

Значения вероятностей появления базовых событий «дерева отказов» для головного события «Разгерметизация трубопровода» приведены в таблице 2.

Таблица 1. Значения вероятности возникновения события [4].

Вероятности событий рассчитываются по формулам (1) и (2) в соответствии с их логическими связями «И» / «ИЛИ».

, (1)

где

P(A_i) – вероятность (риск) появления i-го события;

k – число параллельных ветвей.

(2)

Вероятность головного события составила P = 1,64 * 10^-5. Из этого следует, что вероятность разгерметизации трубопровода в «дереве отказов» значительно больше величины приемлемого риска равной 10^-6. Для того, чтобы уменьшить величину риска, то есть сделать его приемлемым необходимо разработать мероприятия по снижению техногенного риска.

На рисунке 2 представлено «дерево событий» для аварийной ситуации на линейной части магистрального нефтепровода. В качестве инициирующего события принимается разгерметизация нефтепровода [3].

Представленное дерево является типовым и может быть использовано для любого участка линейной части магистрального нефтепровода, кроме переходов магистральных нефтепроводов через водные преграды.

Цифры рядом с наименованием события показывают условную вероятность возникновения этого события, при этом вероятность инициирующего события принята равной 1.

Рисунок 5. «Дерево событий» при разгерметизации магистрального нефтепровода.

Анализ «дерева событий при разгерметизации нефтепровода показал, что наиболее вероятным сценарием является образование отверстия и истечение нефти с формированием пролива. При этом основное развитие событий включает испарение пролива с отложенным воспламенением, при отсутствии источника зажигания. Этот сценарий имеет наибольшую вероятность среди всех возможных исходов и составляет 0,828 (82,8 %).

В данном случае наиболее вероятным сценарием является загрязнение нефтью и их парами окружающей среды (исход C1). Сценарий С1: разгерметизация нефтепровода истечение нефти из поврежденного нефтепровода распространение нефти на местности испарение легких углеводородов нефти в атмосферу рассеивание парогазового облака без последствий загрязнение нефтью и их парами окружающей среды. Следовательно, основные меры предосторожности должны быть направлены на предотвращение данного сценария и минимизацию утечек нефти [5].

Один из перспективных подходов к обнаружению утечек газа состоит в использовании многоспектральных коротковолновых инфракрасных датчиков на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Эти датчики позволяют обнаруживать утечки газа с высокой чувствительностью и точностью, а также работать в реальном времени и обеспечивать мобильность и гибкость в проведении мониторинга.

Метод основан на дифференциальной абсорбционной спектроскопии в коротковолновой инфракрасной области и позволяет обнаруживать утечки газа, включая метан, даже в условиях высокой влажности и в темное время суток.

Изобретение использует дифференциальную абсорбционную спектроскопию для обнаружения утечек газа в диапазоне 1,9-2,6 микрон, эксплуатируя спектральные особенности углеводородов в коротковолновой инфракрасной (SWIR) области, преимущественно в диапазоне длин волн 2,0-2,5 микрон [6]. Этот диапазон длин волн включает спектральные характеристики, связанные с рядом важных углеводородных соединений, таких как метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, октан, этилен и другие углеводороды, а также с углекислым газом и аммиаком. SWIR диапазон обладает такими преимуществами, как уменьшенное поглощение водяного пара в атмосфере и возможность чувствительного обнаружения без необходимости использования специализированных детекторов, охлаждаемых, например, жидким азотом.

Для создания основных фотодетекторов, чувствительных к спектру SWIR в диапазоне приблизительно от 1,8 до 2,6 микрон, могут использоваться различные полупроводниковые материалы. Для снижения темнового тока применяются термоэлектрическое охлаждение. К таким материалам относятся:

• расширенный арсенид индия-галлия (extended-InGaAs);
• кадмий-теллурид ртути (МСТ) [7].

Современные датчики в коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне становятся все более чувствительными и способными к детектированию слабых сигналов, что значительно улучшает их разрешающую способность. Новые материалы и технологии позволяют снизить уровень шума и повысить точность измерений, что делает их пригодными для различных приложений, от мониторинга окружающей среды до промышленных процессов.

Эта технология может быть применена на различных участках трубопроводов различного масштаба, включая как магистральные, так и местные сети.

В настоящее время существуют тепловые инфракрасные (ИК) камеры (однодиапазонные или многоспектральные). Однако их стоимость очень высока. Такие камеры обнаруживают и визуализируют метан и другие углеводороды, полагаясь на температурную разницу между газом и фоновыми объектами на сцене. В частности, они используют излучаемое ИК излучение (также называемое тепловым излучением) газа и объектов в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (около 3-12 микрон) в рамках своего подхода к обнаружению газа и созданию визуального изображения газа.

Использование БПЛА с многоспектральными SWIR датчиками позволяет сократить затраты на мониторинг утечек метана, поскольку обеспечивает более эффективное использование ресурсов и оперативное выявление проблем.

Оптимальная высота для обнаружения утечек газа с использованием дрона зависит от конкретных условий местности, требований к детализации изображения и площади обзора. Однако обычно для таких целей выбирают высоту в диапазоне от 50 до 100 метров.

На высоте около 50 метров дрон обеспечивает достаточную детализацию для обнаружения мелких утечек газа, а также позволяет охватывать значительные участки трубопровода за один полет. При этом на такой высоте дрон обычно легко управляется и имеет стабильное соединение с оператором на земле.

Высота около 100 метров также является эффективной, особенно для обзора более крупных участков трубопровода. Однако при такой высоте изображение может быть менее детализированным, что может затруднить обнаружение мелких утечек.

Оптимальная высота зависит от баланса между требованиями к детализации и ширине обзора, а также от конкретных условий задачи и возможностей дрона.

На рисунке 6 представлен предлагаемый способ обнаружения утечек газа на магистральном газопроводе.

Рисунок 6. Обнаружение утечки газа с помощью ИК-излучения.

В заключение, определение возможных сценариев возникновения, развития и вероятности возникновения аварийных ситуаций на нефтепроводе играет ключевую роль в обеспечении безопасности и надежности работы данного объекта. Анализ и прогнозирование потенциальных аварий помогает оперативно принимать меры по их предотвращению, минимизации возможных последствий и обеспечению эффективного управления кризисными ситуациями. Постоянное совершенствование мер безопасности и планов аварийного реагирования необходимо для обеспечения безопасной эксплуатации нефтепроводов и защиты окружающей среды.

Список литературы

1. Козлов А.А. Балансовые методы обнаружения утечек на магистральных трубопроводах // Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отрасли России: Тезисы докладов VI Региональной научно-технической конференции. М.: Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина, 2022. С. 298-299.
2. Логинов И.Н. Математический алгоритм для обнаружения утечек малой интенсивности // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2021. № 5. С. 528-534.
3. Проклов А.П. Обзор методов для обнаружения утечек нефти в трубопроводе // Транспорт и хранение углеводородов: Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции молодых учёных. Омск. 2023. С. 31-33.
4. Козлов Р.А. Поиск утечек из магистральных нефтепроводов параметрическими методами // Транспорт и хранение углеводородов: Тезисы докладов III Международной научно-технической конференции молодых учёных, Омск, 21 апреля 2022 года / Редколлегия: Ю.А. Краус. Омск: Омский государственный технический университет, 2022. С. 31-33.
5. Чепурной И.В. Системы обнаружения утечек на нефтегазовых трубопроводах // Достижения науки и технологий-ДНиТ-11-2023: Сборник научных статей по материалам II Всероссийской научной конференции, Красноярск. Красноярск. 2023. С. 168-171.
6. Фомина Е.Е. Учебное пособие по расчету ущерба окружающей природной среде при авариях на нефтепроводах с использованием программного продукта «Аварии на нефтепроводах». М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. 56 с.
7. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. М.: Минтопэнерго РФ, 1995. 59 с.
8. Thomas S., Johannes H., Armin L., Eric M., Jonas S., and Jürgen W. Methane leak detection by tunable laser spectroscopy and mid-infrared imaging // Appl. Opt. 2021. № 60. С. 68-75.
9. Фэн Дуо, Дай Цзиньмэн, Цао Юсян, Чжан Лияо. InGaAsBi-фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона // Журнал инфракрасных и миллиметровых волн. 2023. № 42. С. 468-475.