Praktyczne metody oceny skutków awarii rurociągów przesyłowych substancji niebezpiecznych

1. Praktyczne metody oceny skutków awarii rurociągów przesyłowych substancji niebezpiecznych Mieczysław Borysiewicz Centrum Doskonałości „MANHAZ” Instytut Energii Atomowej, Otwock-Świerk

2. Zagrożenia związane z rurociągami przesyłowymi cieczy • Główne zagrożenia przy transportowaniu rurociągami cieczy (głównie ropy naftowej i produktów rafinacji) w przypadku wycieku pochodzą z łatwopalności oraz toksyczności substancji. Łatwopalność ma szczególne znaczenie dla bezpieczeństwa, podczas gdy toksyczność stanowi zagrożenia dla środowiska. • Przy rozpatrywaniu źródeł zagrożenia należy wziąć pod uwagę wiele elementów.

3. Najważniejsze z nich to: • własności fizyko-chemiczne produktu, związane z toksycznością i palnością – należy tu rozważyć szczegółowo komponenty z jakich produkt się składa, Wielkość wycieku zależna od: • średnicy rurociągu, gęstości produktu, ciśnienia w rurociągu, topografii oraz czasu trwania wycieku, • własności materiału i mechanizmów uszkodzeń będących czynnikami tworzenia wycieku, • czasu reakcji, • zaworów, • wielkości drenażu, • modelowanie pożaru i wybuchu, modelowanie efektowi cieplnych (wielkość rozlewiska, pożaru, strefy zagrożeń).

4. Tabela 1A Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych

5. Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 1B

6. Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 1C

7. Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 2

8. Szacowanie prędkości uwolnienia Na prędkość uwolnienia z rurociągu przenoszącego ciecz mają wpływ następujące współczynniki: • rozmiar otworu, • rodzaj substancji, • ciśnienie uwolnienia, • wzniesienie rury, • czas odcięcia.

9. Scenariusze awaryjne Na rysunku przedstawiono ogólny schemat powstawania efektów fizycznych wskutek awarii rurociągu

10. Scenariusze awaryjne Scenariusze te można podzielić na dwie podstawowe grupy: • scenariusze prowadzące do pożarów i wybuchów; • scenariusze prowadzące do skażenia środowiska (wody powierzchniowe, wody gruntowe, gleby). Wprowadzając niezbędne dane liczbowe określające prawdopodobieństwo występowania poszczególnych warunków środowiskowych oraz stosując zasady ilościowej analizy drzewa zdarzeń, można uzyskać prawdopodobieństwa występowania poszczególnych scenariuszy.

11. Pożary i wybuchy W przypadku pożarów i wybuchów należy rozpatrzyć trzy możliwości: • pożar rozlewiska: pożar cieczy, która uformowała pole rozlewiska, • pożar błyskawiczny (pożar chmury pary): palenie się gazu lub mieszaniny par z powietrzem w taki sposób, że nie generuje się nadciśnienie, • wybuch chmury pary: wybuch spowodowany takim zapłonem chmury pary, po którym szybko przemieszczające się płomienie spowodują nadciśnienie.

12. Pożary i wybuchy • Prawdopodobieństwo wybuchu rurociągu z produktami ropopochodnymi nie jest duże nawet w przypadku dużego wycieku. W danych DoT (Department of Transport USA) dotychczas zarejestrowano jedno takie zdarzenie. Natomiast szacuje się, że w 4 do 6% wycieków pojawi się ogień. • Maksymalną odległość pożaru chmury pary można oszacować jako 1.4 % objętości chmury w powietrzu.

13. Tabela 2. Pożar rozlewiska benzyny – opóźniony zapłon Przykładowe wyniki obliczeń pożarów

14. Przykładowe wyniki obliczeń pożarów Tabela 3. Pożar rozlewiska benzyny – natychmiastowy zapłon

15. Przykładowe wyniki obliczeń pożarów Tabela 4. Prawdopodobieństwo występowania źródeł zapłonu

16. Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych • Przykładowe drzewa zdarzeń dla wypływów benzyny tworzących rozlewiska są przedstawione na rysunkach poniżej. Podano tam również prawdopodobieństwa różnych scenariuszy generowanych przez te drzewa.

17. Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych • Drzewo zdarzeń dla rozerwania rurociągu i otworów średnich wielkości (obszary wiejskie)

18. Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych • Drzewo zdarzeń dla wycieków (obszary wiejskie)

19. Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych • Drzewo zdarzeń dla rozerwania rurociągu i otworów średnich wielkości (obszary miejskie)

20. Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych • Drzewo zdarzeń dla wycieków (obszary miejskie)

21. Zagrożenia środowiska Uwolnienia paliw węglowodorowych z rurociągów mogą wywoływać różnorodne skutki pierwotne dla: • bezpieczeństwa i zdrowia ludzi, • zasobów wód podziemnych, • życia biologicznego w wodzie i na ziemi, • wód powierzchniowych, • gleby i geologii, • wykorzystania areałów rolniczych itd.

22. Modelowanie skażeń w ośrodkach porowatych • Modele te są oparte na uproszczonej interpretacji hydrogeologii, łącznie z założeniem o jednorodnym przepływie w formacjach wodonośnych w określonym kierunku oraz o jednorodności innych parametrów. • Przykładem wyżej opisanego modelu jest uproszczony model rozlewisk węglowodorowych, HSSM [Charbeneau Randall J., Weaver James W., Lien Bob K., Kerr Robert S., US EPA, The hydrocarbon Spill Screening Model (HSSM), 1995], dostępny również w Instytucie Energii Atomowej w Świerku.

23. Modelowanie skażeń w ośrodkach porowatych • W modelu tym, zakłada się, że związki węglowodorowe są uwalniane blisko powierzchni gruntu i są transportowane w dół przez strefę aeracji do poziomu wód gruntowych. • Na poziomie wód gruntowych tworzy się soczewka węglowodorowa, która rozprzestrzenia się w kierunku poziomym. Składniki soczewki węglowodorowej rozpuszczają się w wodzie gruntowej przepływającej pod nią, tworząc plamę, która może zanieczyścić studnie i inne rodzaje wrażliwych receptorów leżące w dalej w kierunku przepływu. • HSSM może być użyty do obliczeń transportu skażeń w zależności od ilości lekkich cieczy w fazie nie wodnej, współczynników rozkładu faz, prędkości przepływu wody gruntowej, itd. Ponieważ dla opracowania tego modelu wykorzystano wiele przybliżeń, jego wyniki także muszą być traktowane jako przybliżenia.

24. Modelowanie skażeń w ośrodkach porowatych • Innym rozpatrywanym problemem fizycznym jest skażenie ośrodka porowatego w wyniku uwolnienia cieczy organicznych, powszechnie nazywanych cieczami fazy nie wodnej (NAPL), w podpowierzchniowych niejednorodnych glebach granulowanych. • Ciecze organiczne mogą być lżejsze od wody (określane jako LNAPL tj. oparte na benzynie węglowodorowej), lub cięższe od wody (określane jako DNAPL, tj. oparte na chlorowanym węglowodorze).

25. Modelowanie skażeń w ośrodkach porowatych Istnieją trzy podstawowe mechanizmy rozprzestrzeniania się skażeń cieczy organicznych w górnej warstwy gleby. • Przenikanie w ośrodkach porowatych w kierunkach wertykalnym i horyzontalnym spowodowane jest grawitacją oraz siłami kapilarnymi. • Rozpad i w konsekwencji adwekcja w kierunku opadającym z wytrącaniem źródła w strefie aeracji. W przypadku cieczy organicznych cięższych od wody następuje wychwyt ich składowych przez wody podziemne. • Transport odparowanych składowych w środowisku gazowym gleby, gdzie zwiększenie gęstości gazu powoduje ruch w dół. Podział między fazy gazową i wodną skażeń dodatkowo wzmaga wielkość potencjałuskładowych powodującego migrację cząstek.

26. Rozprzestrzenianie się skażeń NAPL w glebach podpowierzchniowych spowodowane uwolnieniem powierzchniowym.

27. Modelowanie skażeń w ośrodkach porowatych • Przykładem złożonego modelu uwzględniającego wymienione wyżej trzy mechanizmy transportu skażeń, który może być stosowany do obliczeń skażeń gleby i wód gruntowych w wyniku uwolnień ropopochodnych jest model zastosowany w programie komputerowym NAPL Simulator [Guarnaccia Joseph, Pinder George, Fishman Mikhail, Kerr Robert S., US EPA, EPA/600/R-97/102, NAPL-Simulator, 1997], również dostępny w Instytucie Energii Atomowej.