poważne uszkodzenia gazociągów i ich skutki
Transkrypt
poważne uszkodzenia gazociągów i ich skutki
POWAŻNE USZKODZENIA GAZOCIĄGÓW I ICH SKUTKI Autorzy: Andrzej Rusin, Katarzyna Stolecka („Rynek Energii” – nr 6/2009) Słowa kluczowe: gazociąg, awaria, pożar strumieniowy Streszczenie. Rurociągi stanowią podstawowy i bezpieczny środek transportu wielu substancji, w tym zwłaszcza gazów i cieczy. Zdarzają się jednak przypadki uszkodzeń spowodowane błędami człowieka, czy też korozją prowadzące do wypływu gazu a dalej pożaru. W artykule scharakteryzowano główne przyczyny uszkodzeń gazociągów oraz podano przykłady szacowania wielkości obszarów narażonych na podwyższone promieniowanie cieplne w funkcji parametrów uszkodzonego gazociągu. Obliczenia szczegółowe przeprowadzono dla gazociągów średniego i wysokiego ciśnienia. 1. WPROWADZENIE Gaz ziemny stanowi jeden z głównych nośników energii wykorzystywanych zarówno w energetyce zawodowej, komunalnej jak i w wielu innych gałęziach przemysłu. Chociaż technologie jego pozyskiwania są obecnie bardzo rozwinięte to jednak stosunkowo często dochodzi do różnego rodzaju zdarzeń i wypadków powodujących ofiary śmiertelne. Spo-śród ponad 1850 poważnych wypadków w sektorze energetycznym jakie miały miejsce w ostatnich trzydziestu latach ubiegłego wieku na całym świecie około 7% stanowiły wypadki w sektorze gazowym [1]. Ich struktura przedstawiona na rys. 1 wskazuje, że najwięcej z nich zdarza się w czasie transportu gazu gazociągami stanowiącymi podstawowy środek transportu tego nośnika energii. Stosowane obecnie w budowie gazociągów nowe rozwiązania, w tym m.in. nowe materiały o wysokiej wytrzymałości, nowe technologie, monitoring stanu technicznego, monitoring otoczenia gazociągów zapewniają coraz większe bezpieczeństwo ich eksploatacji. Z drugiej jednak strony ciągle w użyciu są gazociągi o długim czasie eksploatacji wynoszącym kilkadziesiąt lat. Skutkiem awarii gazociągu jest uwalnianie się gazu do otoczenia, a to z kolei może spowodować pożar, wybuch, czy też skażenie toksyczne. W zależności od warunków i ilości uwolnionego gazu możliwe jest powstanie różnych typów pożarów, w tym szczególnie groźnego tzw. pożaru strumieniowego [2÷5]. Charakteryzuje się on stabilnym i długim płomieniem generującym olbrzymie promieniowanie cieplne niebezpieczne zarówno dla ludzi jak i infrastruktury. W dalszej części artykułuu scharakteryzowano główne g przyczyny uszkodzeń gazociągóów oraz podano przy-kłady szacowania skutków awarii gazociągów. w. 2. USZKODZENIA GAZOCIĄGÓ ÓW Główne przyczyny uszkodzeń gazociąągów można sklasyfikować w kilku grupach. Do grupy pierwszej zaliczyć można na przyczyny spowodowane nieprawidłową nieprawi technologią wykonania bądź naprawy gazociągu. gazo W grupie tej mieszczą się uszkodzenia spowodowane dowane wadami materiałowymi, materia wadami spoin, wadami dami armatury itp. W grupie drugiej obejmującej uszkodzenia mechaniczne gazociągu ga najistotniejsze znaczenie mają maj umyślne lub nieumyślne działania osób ób trzecich. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z wandalizmem, terroryzmem, czy też próbami kradzieżży gazu. Mechaniczne uszkodzenia gazociągu gu w postaci wgnieceń, wgniece pęknięć, przerwań mogą być również efektem nieprawidłowo nieprawid zaplanowanych i błędnie dnie wykonywanych prac budowlano-inżynieryjnych w pobliżżu gazociągu. Potencjalną przyczyną uszkodzenia gazociągu gazoci może być również jego nie-prawidłowa owa eksploatacja. W grupie uszkodzeń uszkodze mechanicznych znych wymienić wymieni należy również uszkodzenia spowodowane działaniem aniem sił si przyrody np. uderzenia pioruna, ekstremalne temperatury, zwłaszcza zw bardzo niskie, przemieszczenia gruntu spowodowane trzęsieniem trz sieniem ziemi, ruchami górotworu, g osiadaniem wskutek gwałtownych i długotrwałych ych opadów, opad po-wodzi. Uszkodzenia mogą być również ró powodowane przez wzrost obciążeń dynamicznych spowodowa-nych spowodowa np. wzmożonym onym ruchem komunikacyjnym, czy też wskutek upadku statku powietrznego. Trzeciąą grupę przyczyn uszkodzeń i nieszczelności ci gazociągu gazoci stanowi korozja [7]. Może ona atakować zarówno powierzchnię powierzchni wewnętrzną jak i zewnętrzną gazo-ciągu. gu. W gazociągach gazoci stalowych może przybierać po-stać korozji chemicznej jak i elektrochemicznej, a w obszarach występowania wyst podwyższonych naprę-żeń rozciągająących korozja występuje również w postaci korozji naprężeniowej. napr Ze względu na postać obszaru niszczonego spotyka się si zarówno równomierną jak i punktową punktow postać korozji gazociągów. w. W drugim przypadku często cz jest to postać korozji wżerowej. Intensywno wność tego procesu zależy m.in. od rodzaju i składu adu gruntu, jego wilgotności, obecności w otaczającym środowisku rodowisku bakterii, grzybów i innych organizmów żywych powodujących powoduj tzw. korozję biologiczną. Postęp korozji przyspiesza uszkodzona struktura powierzchni gazociągu, gu, zarysowania, wtrącenia, wtr mikropęknięcia itp., które re mogą mog powstać zarówno w procesie produkcji rur, przy ich transporcie i montażu. monta Czynnikiem szczególnie lnie negatywnie wpływającym wp na niszczenia gazociągów w przez procesy korozyjne jest obecność prądów błądzących cych pojawiających pojawiaj się w pobliżu trakcji elektrycznych, linii wysokiego sokiego napięcia itp. Zapobieganie zjawisku korozji polega na stosowaniu zarówno zarówno powłok ochronnych jak i ochrony aktywnej katodowej. Skutkiem wymienionych powyżej ej uszkodzeń uszkodze gazociągu jest wyciek gazu. Wielkość tego wycieku zależy m.in. od wielkości uszkodzenia tzn. wielkośści otworu, przez który wypływa gaz, średnicy rednicy rurociągu ruroci i ciśnienia gazu. Wielkość i parametry wypływającego cego gazu determinują determinuj z kolei potencjalne dalsze skutki kutki awarii. 3. WYPŁYW YW GAZU Z USZKODZONEGO GAZOCIĄGU GAZOCI Podczas transportu gazu rurociągami gami następuje nast strata ciśnienia spowodowana zarówno wno tarciem jak i zmianą zmian gęstości na długość gazociągu. Zaniedbującc ten ostatni czynnik, miejscowy spadek ciśnienia nienia wzdłuż wzd rurociągu możemy opisać zależnością gdzie: p - jest ciśnieniem nieniem gazu w rurociągu, ruroci L - długością rurociągu, f – współczynnikiem czynnikiem oporu przepływu, ρ – gęstością gazu, d – średnicą rurociągu. Prędkość gazu możemy wyznaczyć z zależności zale × gdzie: m – masowe natężenie przepływu. ywu. Całkując równanie (1) wzdłuż długo ugości rurociągu otrzymujemy Dla izentropowego rozprężania ania gazu doskonałego doskona zapiszemy gdzie: κ –wykładnik izentropy. Całkując równanie (3) z uwzględnieniem dnieniem (4) dostajemy dosta po przekształceniach ceniach wyrażenie wyra do obliczenia masowego natężenia przepływu W obszarze przepływu ywu burzliwego współczynnik wsp f nie zależyy od liczby Reynoldsa, a jedynie od chropowatości chropowato powierzchni i średnicy rurociągu. Jeżeli wypływ yw z uszkodzonego gazociągu gazoci jest wypływem ywem krytycznym, to jego wielkość wielko możemy obliczyć z zależności gdzie: ρk, pk – gęstość i ciśnienie nienie gazu w rurociągu ruroci w miejscu wypływu, c – współ ółczynnik wypływu, A0 – pole powierzchni otworu wypływu ywu gazu. Powyższe zależności pozwalają obliczyć obliczy wielkość wypływu przez otwórr w uszkodzonym gazociągu gazoci przy znajomości ciśnienia w stacji sprężen enia gazu po, odległości ci stacji od miejsca uszkodzenia L oraz średnicy gazociągu d. 4. OCENA SKUTKÓW ÓW PROMIENIOWANIA Skutkiem niekontrolowanego uwolnienia się si gazu z uszkodzonego gazociągu możee być by zagrożenie pożarowe. Spośród różnych rodzajów pożarów w szczególnie niebezpieczny jest tzw. pożar strumieniowy. Jego efektem jest bardzo wysokie promieniowanie cieplne emitowane przez płomień. p . Szacowanie wielości wielo tego promieniowania ciągle stanowi istotny problem badawczy, a proponowane modele np. modele źródłowe, modele wielopunktowe, czy też modele źródeł powierzchniowych są przybliżonymi przybli modelami półempirycznymi [8]. W praktyce najczęściej stosuje się model trzeci trzec przyjmując, że cześć ciepłaa spalania jest wypromieniowana wypromie przez widoczną powierzchnię płomienia. Teoretyczna powierzchniowa energia promieniowania cieplnego w jednostce czasu może być obliczona z zależności zale gdzie: Qs - energia spalania na jednostkę jednostk czasu J/s, A - pole powierzchni płomienia, m2. Wielkość Qs możemy obliczyć znając znają strumień spalanego nego gazu oraz ciepło spalania Hc. Ponieważ tylko cześć tej energii zostanie przekazana na drodze pro-mieniowania, pro zatem E = FsEt, (8) gdzie Fs opisuje udziałł energii wypromieniowanej w całkowitej energii spalania. Wielkość ta zależyy od rodzaju pożaru, poż a takżee od rodzaju spalanej substancji. Jednostkowy strumień strumi ciepła odbierany przez powierzchnię znajdującą się w pewnej odległości ci od płomienia możemy mo obliczyć z zależności gdzie F jest współczynnikiem ółczynnikiem konfiguracji uzależnionym uzale od odległości ci i usytuowania powierzchni odbierającej cej promieniowanie w stosunku do promieniującej promieniuj powierzchni płomienia, a także tak od kształtu płomienia. Wielkość τa opisuje transmisyjność transmisyjno powietrza [4,5] pomiędzy dzy receptorem a emiterem zależną zale przede wszystkim od zawartości ci w powietrzu pary wodnej oraz dwutlenku węgla. ęgla. Negatywne skutki promieniowania uzależnione uzale są od jego wielkości ci i czasu ekspozycji. Najczęściej Najcz przyjmuje się kilka charakterystycznych poziomów promieniowania promieniowania wywołujących dane skutki. I tak 2 strumień cieplny o wartości ci około 4,7 ÷ 5 kW/m k przy ekspozycji powyżej powyż 30 sekund może spowodować uszkodzenie ciała.. Jest to poziom promieniowania które należy ży uznać uzna za niebezpieczne. Poziom 12,6 kW/m2 stanowi minimalną minimaln energię zapłonu drewna i topienia się tworzyw sztucznych, a poziom 15 kW/m2 to poziom zapłonu wszystkich konstrukcji drewnianych. U ludzi powoduje poparzenia, a przy dłuższej szej ekspozycji człowieka może mo prowadzić do zgonu. Kolejny próg niebezpiecznego promieniowania to 23 kW/m2 . Przy tym poziomie natychmiast zapala się si drewno, a dłuższa d niż 1 minuta ekspozycja ludzi prowadzi do 100% śmiertelności. ś Do oszacowania wielkości ci populacji, która może mo odnieść poparzenia ze skutkiem śmiertelnym w zależności od przyjętej tej dawki promieniowania stosuje się si tzw. funkcje probitowe o ogólnej ogó postaci [2,5] Pr = a + b ln(D), (10) gdzie: Pr - funkcja probitowa będąca ę ąca miarą miar populacji narażonej onej na dany uraz spowodowana obciążeniem obci D, a, b - stałe doświadczalne wiadczalne zależne od rodzaju urazu i rodzaju obciążenia. obci Przy obciążeniu eniu promieniowaniem cieplnym ciepln trwającym przez czas t wielkość D można zdefiniować Współczynniki ółczynniki funkcji probitowej mają maj wówczas postać a = -14,9, 14,9, b = 2,56. Posługując Posługuj się powyższą zależnością możliwe jest określenie ślenie dla danego promieniowania pro i czasu zasu jego działania wartości warto funkcji probitowej, a następnie pnie procenta populacji narażonej nara na dany skutek. 5. WPŁYW ŁYW PARAMETRÓW GAZOCIĄGU GAZOCI NA ZASIĘG G PROMIENIOWANIA KRYTYCZNEGO Przedstawione powyżej ej elementy algorytmu obliczeń oblicze wielkości wypływu ywu gazu z uszkodzonego gazociągu zostaną obecnie wykorzystane do oszacowania wielkości wiel ci promieniowania wywołanego pożarem strumieniowym niowym wypływającego wypływającego gazu. Jako dane podstawowe do obliczeń przyjęto: Hc = 5,002· 107 J/kg, z uszkodzonego dzonego rurociągu gaz wypływa wypływa do otoczenia, gdzie panuje temperatura 10οC, a prędkość wiatru wynosi 5 m/s. Badano wpływ średnicy rednicy otworu w gazociągu gazoci d, ciśnienia nienia maksymalnego gazu p oraz odległości odległo receptora od emitera X na wielkość promieniowania q. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 2, 3, 4. Rysunki 2, 3, 4 podają zależność wielkości wielko promieniowania w funkcji średnicy rednicy otworu w gazociągu, gazoci w którym płynie gaz o ciśnieniu równym wnym odpowiednio 1,5MPa (rys. 2), 5MPa (rys. 3) i 10MPa (rys. 4). Poszczególne ólne krzywe na rysunkach odnoszą odnosz się do różnych odległości ci miejsca awarii od obserwatora. Przeanalizowano odległości ci od X = 75 do X = 200m. Przy niskich ciśnieniach nieniach gazu promieniowanie rzędu rz 5kW/m2 w analizowanych warunkach i przy dużym du uszkodzeniu gazociągu (otwór wypłływu o średnicy powyżej 0,2m) sięga ga 80m. Przy ciśnieniach ci średnich ten poziom promieniowania obejmuje obszar ponad 120m, a przy wysokich ciśnieniach nieniach 150m. Przy dwukrotnie mniejszej średnicy rednicy uszkodzenia skutkującej cej mniejszym strumieniem wypływającego wyp gazu 2 promień obszaru objętego tego promieniowaniem 5 kW/m dla gazociągu o ciśnieniu nieniu 10MPa maleje dwukrotnie. Rysunki 5, 6, 7 podają procent populacji znajdującej znajduj się w odległości ci 75m od miejsca pożaru, po która ulegnie śmiertelnemu miertelnemu poparzeniu w funkcji średnicy otworu wypływu. ywu. Kolejne wykresy odnoszą odnosz się do ciśnień w gazociągu odpowiednio równych wnych 1,5 MPa, 5 MPa i 10 MPa. Natomiast poszczególne poszczeg krzywe dotyczą trzech różnych czasów w ekspozycji wynoszących wynosz 4 min, 5 min i 6 min. Rys. 8 przedstawia procent populacji narażonej nara na poparzenia śmiertelne w zależno ności od średnicy otworu w gazociągu oraz ciśnienia nienia w nim panującego. panuj Odległość obserwatora od miejsca awarii wynosi 75m, a czas ekspozycji 6 min. 6. PODSUMOWANIE Transport rurociągami gami substancji palnych i wybuchowych należy niewątpliwie do najbezpieczniejszych. Tym niemniej i w tym przypadku możliwe mo jest pojawienie się sytuacji stanowiących cych poważne powa zagrożenie zarówno dla ludzi jak i mienia. Począątkiem takich wypadków są najczęściej ciej uszkodzenia gazociągu wywołane różnymi przyczynami, w tym zwłaszcza aszcza błędami b człowieka i korozją. Jeżeli nieszczelność spowodowana uszkodzeniem jest poważna i dojdzie do zapalenia wypływającego gazu, to powstały pożar może przyjąć postać pożaru strumieniowego o bardzo intensywnym promieniowaniu. Poziom promieniowania uzależniony jest przede wszystkim od ciśnienia i średnicy wypływu gazu. Szczególnie niebezpieczne są uszkodzenia gazociągów wysokiego ciśnienia. W ich przypadku obszar objęty wysokim promieniowaniem jest stosunkowo rozległy i w zależności od ilości wypływającego gazu może obejmować ponad 70000m2. Istotne znaczenie mają tutaj również warunki atmosferyczne a zwłaszcza prędkość wiatru. Ludzie jak i zwierzęta znajdujące się w tym obszarze narażeni są na utratę zdrowia a nawet życia. W tym przypadku oprócz wielkości promieniowania istotne znaczenie ma czas ekspozycji na to promieniowanie. Kilkuminutowe narażenie na bezpośrednie promieniowanie może prowadzić do śmierci znacznej części populacji. Czas ten ulegnie znacznemu skróceniu w miarę wzrostu poziomu promieniowania, czyli w miarę przybliżania się do miejsca uszkodzenia gazociągu. LITERATURA [1] Burgherr P., Hirschberg S.: Severe Accident Risks in Fossil Energy Chains: A Comparative Analysis. Energy 33 (2008). [2] Bubbico R., Marchini M.: Assessment of an Explosive LPG Release Accident: A Case Study. Journal of Hazardous Materials, 155, 2008. [3] Jo Y.D., Ahn B.J.: Analysis of Hazard Areas Associated With High-pressure Natural-gas Pipelines. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 15, 2002. [4] Jo Y.D., Ahn B.J.: A Method of Quantitative Risk Assessment for Transmission Pipeline Carrying Natural Gas. Journal of Hazardous Materials, A 123, 2005. [5] Jo Y.D., Crowl D.A.: Individual Risk Analysis of High-pressure Natural Gas Pipelines. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 21, 2008. [6] Rusin A., Wojaczek A.: Wspomaganie decyzji remontowych maszyn i urządzeń energetycznych za pomocą analizy niezawodności. Rynek Energii 2008, nr 6. [7] Rządkowski J.: Uszkodzenia korozyjne rurociągów. Rurociągi nr, 1/34, 2004. [8] Yellow Book, Ed. C.J.H. Bosch, R.A.P.M. Weterings, Hague 2005. EFFECTS OF SERIOUS FAILURES OF NATURAL GAS PIPELINES Key words: pipeline, failure, jet flame Summary. The pipelines are the fundamental and safe way of gas fluid transportation. However, some failures can occur either due to the human errors or the corrosion, which lead to fluid outflow and in consequence to a fire. In the paper the main reasons for gas pipeline failures are described and some algorithms for estimation of the area exposed to excessive thermal radiation as a function of the pipeline parameters are given. Specific cal-culations are carried out for a medium and high pressure pipelines. Andrzej Rusin, dr hab. inż. Prof. Politechniki Śląskiej jest kierownikiem Zakładu Podstaw Konstrukcji i Eksplo-atacji Maszyn Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice. Jego zainteresowania naukowe obejmują zagadnienia wytrzymałości, trwałości, niezawodności, analizy ryzyka oraz sterowania eksploatacją maszyn, urządzeń oraz bloków energetycznych. E-mail: [email protected] Katarzyna Stolecka, mgr inż. jest doktorantką w Zakładzie Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice. W pracy naukowej zajmuje się zagadnieniami oceny skutków awarii maszyn, urządzeń i instalacji energetycznych. E-mail: [email protected]