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]