Управление Ростехнадзора по Калужской области

Фактор аварийного разрыва


О повышении уровня промышленной безопасности магистральных газопроводов на пересечении в технических коридорах

Общеизвестно, что в Российской Федерации правовая основа промышленной безопасности опирается на федеральные и отраслевые законы, нормы, акты, Указы Президента, СНиПы, ГОСТы, постановления Министерств, ТУ, на внутренние документы предприятий: инструкции, правила внутреннего распорядка и т.д. Казалось бы, имея такую обширную законодательную базу для оценки промышленной безопасности, такое количество нормативно-технической документации Российское производство должно действовать без аварий и катастроф. К сожалению этого не происходит. Почему, например, те или иные положения нормативно-технической документации не срабатывают при эксплуатации магистральных газопроводов большого диаметра?

Согласно СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы» взаимное пересечение проектируемых и действующих трубопроводов осуществляется в исключительных случаях. При взаимном пересечении наземных трубопроводов, расстояние между ними должно составлять не менее 350 мм. Расстояние же между параллельными нитками в техническом коридоре для подземных газопроводов должно быть не менее 100 метров, для наземных — как минимум 40 метров.

Соответственно, при анализе промышленной безопасности магистральных газопроводов большого диаметра (до 1400 мм, рассчитанных на давление до 7,5 МПа) в местах пересечения технических коридоров возникает два вопроса:

Отвечает ли действующая магистральная газопроводная система всем требованиям СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы»?

Возможно ли исключить каскадный режим развития аварий в местах пересечения коридоров при соблюдении СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы»?

Для ответа на поставленные вопросы были проанализированы строительно-монтажные решения для пересечений газопроводов в технических коридорах ООО «Газпром-трансгаз Югорск»: Комс-мольского ЛПУМГ (162 км МГ Игрим-Се-ров); Комсомольского ЛПУМГ( 960 км МГ Уренгой-Ужгород); Правохоттинского ЛПУМГ (площадка 14 206 км МГ Уренгой Ужгород).

Напомним, что согласно СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы» взаимное пересечение проектируемых и действующих трубопроводов осуществляется в исключительных случаях. Однако, из рисунков видно, что на каждом из исследованных газопроводов имеется до 6 пересечений.

Расстояния между нитками одного коридора составляют, в среднем, от 25,5 до 80 метров, а между ветками верхних и нижних газопроводов находится в пределах от 0,2 до 1,8 метров. Таким образом, строительно-монтажные решения этих пересечений требованиям СНиП не соответствуют и это ответ на первый вопрос.

Возникновение аварийных разрывов на магистральных газопроводах определяется, как правило, внутренними нестационарными газодинамическими процессами, обусловливающими динамику выброса природного газа в атмосферу и внешними – определяющими воздействие первичных и вторичных факторов разрушения участка газопровода высокого давления на окружающую среду. При этом, в местах пересечения коридоров, к основным возможным воздействиям поражающих факторов на верхний газопровод в случае разрыва нижнего можно отнести: адиабатическое воздействие ударной волны за счет расширения газа, воздействие осколков (или фрагментов) трубы нижнего газопровода, тепловое воздействие за счет «колонного» шлейфа газа или горения в виде двух струй, воздействие выброшенного из траншеи грунта и т.д. Анализ поражающих факторов при аварии в местах пересечения магистральных газопроводов показывает, что при воздействии ударной волны на верхний газопровод в результате расширения газа, выбрасываемого из нижнего газопровода, давление во фронте ударной волны составляет от 6,4 МПа, а значение импульса составляет 88,3 кПа·с . При аварийных разрывах, как показывает анализ статистических данных, возможно образование осколков магистральных газопроводов массой более трех тысяч килограмм. Некоторые фрагменты могут достигать 10 тонн. При этом выброс осколков из траншеи в 75% случаях размером примерно 25 метров на 4,5 происходит на расстояние от 16 до 400 метров. Следует отметить, что при вязком разрушении расстояние выброса может достигать 180 метров, а при хрупком — до 700 метров.

По расчетным методикам получается так, что сквозные пробития верхнего газопровода могут возникнуть когда масса осколков будет превышать 1300 килограмм при прямом ударе и 2800 — при косом. При скорости осколка, равной скорости метания грунта при угле раскрытия нижнего магистрального газопровода равном 30 градусам, верхний газопровод разрушается под воздействием осколочных фрагментов более 240 килограмм. Если угол раскрытия равен 60 градусам, газопровод разрушается от осколка массой 1300 кг.

При тепловом воздействии на смежный аварийному верхний газопровод, получается интересная картина: длина факела может достигнуть нескольких сотен метров, распространение пожара в котловане — до 80 метров, температура в зоне горения достигает 1500 оС, тепловой поток вырастает до 200 кВт/м2. При воздействии на газопровод теплового потока горящего газа температура разрушения газопровода составляет 330 оС , а время прошедшее от начала теплового воздействия, до разрушения составляет от трех до пяти минут. Отсюда следует ответ на второй вопрос.

При разрушении любого нижнего газопровода в местах пересечения магистральных газопроводов верхние газопроводы, ближайшие к месту разрыва, могут оказаться в зоне действия поражающих факторов: фрагментов нижнего газопровода, пожара в котловане, теплового воздействия струйного горения газа, с последующим каскадным режимом развития аварии.

Анализ конструктивных особенностей пересечений магистральных газопроводов, диагностика развития аварийной ситуации и интенсивности воздействия поражающих факторов, способных привести к каскадному развитию аварии, позволили выделить следующие направления мероприятий, потенциально способных снизить риск аварий в местах пересечения магистральных газопроводов:

Обоснование организационно-технических мероприятий при аварийной разгерметизации, направленных как на снижение интенсивности факельного горения, так и пожара в «котловане» за счет сокращения выброса природного газа из линейного газопровода.

Разработка технических решений, способных прекратить самопроизвольный рост продольных трещин в магистральных газопроводах.

Разработка технических решений и устройств для защиты газопровода от совместного действия осколков, ударной волны, адиабатического расширения газа и теплового воздействия, возникающих при аварийной разгерметизации газопровода.

Линейная часть газопровода на пересечении технических коридоров часто устроена таким образом, что запорными устройствами обычно отделяются участки от двух до 40 км. Очевидно, что уменьшение этого расстояния может обеспечить уменьшение количества выброшенного газа, а в случае его возгорания при раскрытии трубопровода – снизить продолжительность теплового воздействия на смежный верхний газопровод.

Анализ показывает, что установка запорных устройств на расстоянии одного километра от центра пересечения технических коридоров снижает расход выбрасываемого газа в окружающую среду с 91 кг/с через полторы тысячи секунд после перекрытия крана без переноса запорных устройств до 2 кг/с через 30 секунд при переносе. Соответственно, в случае возгорания газа, уменьшается время теплового воздействия. Отметим, что время воздействия факела на смежный с аварийным газопровод составляет около 490 секунд, – меньше времени термической стойкости газопровода, которая составляет 627 секунд. Естественно, для того, чтобы выдержать такое время, нужно в корне изменить порядок работы служб, которые занимаются перекрытием и открытием шаровых запорных устройств при обнаружении и фиксации разгерметизации газопровода. Впрочем, даже это мероприятие не исключает воздействия таких поражающих факторов, как образование осколков.

Анализ механизма образования критической сквозной трещины и ее распространения до 100 метров вдоль газопровода показывает, что эти процессы в реальных условиях эксплуатации газотранспортных систем являются неизбежными.

В соответствии с энергетической теорией прочности было предложено уравнение для расчета критической длины трещины и длины распространения сквозной трещины вдоль газопровода. Анализ приведенных уравнений, показывает, что основными мерами предотвращения образования и распространения трещин вдоль магистральных газопроводов могут быть: снижение кольцевых напряжений в металле газопровода на начальной стадии образования трещины критического размера; полная остановка роста сквозных трещин за счет значительного уменьшения локальных напряжений в металле газопровода. Снижение кольцевых напряжений может быть достигнуто за счет применения конструкции «труба в трубе».

Данная схема предполагает, что в начальный момент образования трещины и ее роста до критического размера происходит автоматическое выравнивание давления транспортируемого газа в магистральном газопроводе и в «рубашке». При этом снижаются кольцевые напряжения в металле, что препятствует дальнейшему росту сквозной трещины. Следует отметить, что в этом случае используется фундаментальный закон природы, «срабатывающий» в любых условиях, то есть сам процесс возникновения продольной трещины обязательно приведет к затуханию ее дальнейшего роста.

Остановка распространения сквозной трещины может быть реализована за счет применения специальных металлических колец. Для реализации указанных выше технических решений на практике предлагается использование базы специальных элементов для ремонта трубопроводов: муфт, полумуфт, полуколец различных конструкций.

Предложенные технические решения могут быть использованы с учетом конкретных условий эксплуатации газопроводов: расстояний между техническими коридорами, между линейными газопроводами в одном коридоре, с учетом того, какие объекты находятся на поверхности.

В случае комплексного воздействия осколков и теплового фактора наиболее эффективный метод защиты — это монтаж на нижних магистральных газопроводах стандартных металлических муфт с секциями длиной до 6 метров по всему газопроводу без переноса и установки запорных устройств непосредственно к местам пересечения технических коридоров. Установка защитных устройств, муфт, на нижнем и верхнем газопроводах позволяет в пределах конструкций защитных устройств полностью исключить воздействие поражающих факторов на смежные магистральные газопроводы и окружающую среду.

На основе анализа событий при реализации каскадного развития аварий установлено, что вероятность одновременного разрушения всех шести веток газопровода (такая вероятность существует при компоновке газопроводов, которые были представлены выше) без организации защиты составляет 2,2.10-51/ год. Если мы не будем локализовать поражающие факторы в пределах защиты, каскадный режим обязательно будет срабатывать, даже если мы будем проводить дефектоскопию. Нельзя определить дефекты у каждого метра из сотен тысяч километров газопровода или нефтепровода.

При этом экономический ущерб может ориентировочно составить около двух миллиардов рублей. Для организации защиты муфтами всех шести нижних газопроводов потребуется вложение в размере около 216 млн рублей. Эту методику можно распространять и на пересечение газопровода и нефтепровода, или, скажем, газопровода и автомобильной дороги.

В советское время были нормы и правила, определяющие расстояния между трубами в зависимости от диаметра труб в одном коридоре, от того, как, параллельно или с пересечением, они идут. Что касается расстояний, они практически остались теми же самыми. Но чтобы внедрить эти рекомендации, нужно менять СНиП. Например, в СТО «Газпрома» сказано о пересечении технических коридоров, а об анализе рисков вообще нет ни слова. Значит, надо пересматривать СТО, пересматривать СНиПы, правила эксплуатации и т.д. Это очень большая работа.