АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА НА НАЛИВНОМ РЕЧНОМ ПРИЧАЛЕ В КОНТЕКСТЕ ОБОСНОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОПО

Россия является крупнейшим мировым поставщиком нефти и нефтепродуктов и объемы поставок продолжают расти. В последние годы наблюдается увеличение строительства новых и реконструкция уже существующих нефтепродуктоналивных терминалов.

С ростом числа нефтепродуктоналивных терминалов, в том числе речных, возрастает угроза загрязнения окружающей среды в области акватории портов, тем не менее, в настоящее время в России отсутствуют нормативные документы, регламентирующие методы и способы обеспечения технологической защиты действующих и вновь проектируемых терминалов от гидроударных явлений, происходящих в наливных трубопроводах при переходных процессах, вызванных изменением режима налива судов. В настоящее время подобные требования промышленной безопасности регулируются лишь частично отдельными пунктами Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности.

Как пример недостаточности требований промышленной безопасности рассмотрим опасный производственный объект “Склад нефти и нефтепродуктов” нефтеперерабатывающего завода в состав которого входит речной нефтепродуктоналивной причал.       

Причал, построенный по проекту, разработанному Горьковским отделением “Гипроречтранс”, введен в эксплуатацию в 1979 г. Фронтальная протяженность причала (вдоль берега водохранилища) – 105,4 метров, в поперечнике – 25 метров. С фронтальной стороны установлены швартовые тумбы и отбойные устройства для швартовки судов. Для освещения территории причала при работе в ночное время установлена одна мачта освещения с прожекторами.

Налив нефтепродуктов в танкера производится самотеком, по технологическим трубопроводам через два наливных устройства СР-250 (стендеры) для налива мазута топочного, дизельного топлива, топлива судового остаточного RMG 380, RMG 700 и топлива маловязкого судового. На технологических трубопроводах установлены массовые расходомеры.

Наливное устройство СР-250 (стендер) состоит из стойки, шарнирно-соединительных труб, уравновешенных противовесами, присоединительной головки. Стойка является опорным элементом, закрепляется на бетонном основании причала, присоединяется к наземному трубопроводу.

Подвижная часть наливного устройства может перемещаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечивая необходимый диапазон обслуживания.

Присоединительная головка СР-250 представляет собой систему колен и шарниров и заканчивается фланцем с четырьмя винтовыми зажимами. Герметичность соединения приемного патрубка танкера с присоединительной головкой обеспечивается уплотнительным кольцом прямоугольного сечения, выполненным из бензостойкой резины, при затяжке винтовых зажимов.

Для полного освобождения СР-250 и трубопровода в технологической схеме предусмотрены две подземные емкости Е-1, Е-2. Откачка емкостей производится ассенизационной машиной по мере необходимости.

На речном причале размещены боны заградительные “БПП-600” – 270 м.

При очередной проверке нефтеперерабатывающего завода инспектором Ростехнадзора был выписан ряд предписаний. Одно из предписаний, касается защиты наливного стендера от гидроудара. Параметры отступления приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры отступления от требований ФНП [3, 4]

Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности “Правила безопасности нефтегазоперерабатывающих производств” от 29.03.2016 №125.

3.119. При проведении сливо-наливных операций следует предусматривать мероприятия по защите от гидравлических ударов.

Не предусмотрены мероприятия по защите от гидравлических ударов при проведении сливо-наливных операций.

В соответствии с п. 4 статьи 3 Федерального закона “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” эксплуатирующей организацией было принято решение о разработке Обоснования безопасности [3].

Анализируя характер предписания и технологию налива продукта на причале возник вопрос о теоретической возможности гидроудара в подобной системе, так как формирование в наливном трубопроводе самотечных участков (т.е. течений с неполным заполнением трубы) при напорно-безнасосной схеме подачи продукта на судно позволяет значительно снизить воздействие гидравлического удара (Арбузов Н.С. диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук, 2015 г. [9].). 

Согласно Указаниям по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов РТМ 38.001-94 [5], гидравлический удар в трубопроводной системе возникает при быстром закрытии или открытии арматуры, пуске и останове насосов, заполнении трубопровода жидкостью, разрыве трубопровода и т.п.

Расчёт гидравлического удара на речном причале для обоснования безопасности ОПО проводился с допущениями, наиболее опасными для целостности оборудования:

• подача на стендер наиболее плотного вещества (мазут);
• наибольший расход (900 м³/час, при подаче продукта с 4-й группы резервуаров);
• наибольшая длина трубопровода (от 4-й группы резервуаров до стендера 3612,5 м)
• рассмотрен наименьший диаметр в системе (D300, с наивысшей скоростью течения продукта 3,5365 м/с);
• скорость закрытия арматуры D300 не менее 55 секунд, задана по условиям эксплуатации.

Повышение давления Pуд (Па) во время полного гидравлического удара вследствие мгновенного полного прекращения движения жидкости возникает при условии выполнения неравенства [5]:

где t_з – продолжительность закрытия или открытия трубопроводной арматуры, с; L – длина трубопровода, м; α – скорость распространения ударной волны, м/с. С учетом работы деформации стенки трубы определим значение α по формуле [5]:

где ρ – плотность жидкости, кг/м³,  s – толщина стенки трубы, м; К – модуль упругости жидкости, Па; Е – модуль упругости материала трубы, Па. Для сталей при температуре до 100 °С Е ≤ 2·10⁵ МПа.

В нашем конкретном случае скорость распространения ударной волны в мазуте и равна 1084,959 м/с. Данное значение α близко к скорости звука в мазуте [5].

Подставим полученные величины L и α в неравенство (1), получим:

Как видно из численных значений величины t_з, условия (1) для возникновения полного гидроудара не выполняются и полный гидроудар не происходит.

Рассмотрим случай возможности непрямого гидравлического удара [5].

При допущении условия t_з > 2L/a и линейном законе изменения давления и скорости при закрытии арматуры интенсивность непрямого гидравлического удара[5]:

где w₀ и w_к – первоначальная и конечная скорости потока.

Интенсивность непрямого гидравлического удара_, при наших условиях, не превышает ΔР_уд = 0,441 МПа. Следовательно, максимальное рассчитанное давление при непрямом гидроударе составит 1,441 МПа. Учитывая допустимое давление в системе обвязки трубопроводов речного причала 1,6 МПа, превышение требований прочности трубопроводов не происходит.

Таким образом показано, что в случае терминала с напорной-безнасосной схемой подачи продукта на судно в схеме речного причала искусственное формирование в наливном трубопроводе самотечных участков не только способствует разгрузке от давления трубопроводной системы терминала, но также значительно упрощает организацию защиты терминала от волн гидравлического удара. Использование в наливном трубопроводе самотечных участков в рамках обоснования безопасности опасного производственного объекта при соответствующем анализе опасности может рассматриваться как компенсирующее мероприятие.

Список используемых источников

1. Федеральный закон от 21.07.1997 г. №116-ФЗ “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” (с изменениями).
2. Приказ Ростехнадзора от 29.03.2016 г. №125 “Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности “Правила безопасности нефтегазоперерабатывающих производств”.
3. Приказ Ростехнадзора от 15.07.2013 г. №306 “Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности “Общие требования к обоснованию безопасности опасного производственного объекта” (с изменением).
4. Приказ Ростехнадзора от 30.09.2015 г. №387 “Об утверждении Руководства по безопасности “Методические рекомендации по разработке обоснования безопасности опасных производственных объектов нефтегазового комплекса”.
5. Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов РТМ 38.001-94.
6. Арбузов Н.С., Адоевский А.В. Расчеты переходных процессов для определения мероприятий по защите от гидроударных явлений нефтепроводов и морских терминалов/ IV международная практическая конференция “Проблемы и перспективы развития нефтепроводного транспорта Республики Казахстан” г. Алматы.
   6 – 9 октября 2010 г. Сборник докладов, с.43-50. 
7. Арбузов Н.С. Теория и расчет систем защиты морских нефтеналивных терминалов от гидравлических ударов / – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011 г., 201 с.
8.  Арбузов Н.С. Особенности защиты от гидравлического удара морских нефтеналивных терминалов с выносными причальными устройствами/ Х Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России”, г. Москва, 10-12 февраля 2014 г., с 91.
9.  Arbuzov N.S. Protection of oil-loading tanker terminals from damages occurring due to hydraulic shock waves (based on existing Russian terminals examples)/ 21 st  WORLD PETROLEUM CONGRESS, Moscow, Russia, June 15 – 19 th  2014, p. 158 – 159.
10. Арбузов Н.С. Обеспечение технологической безопасности гидравлической системы морских нефтеналивных терминалов в процессе налива судов у причальных сооружений / – Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2015 г., 289 с.