Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Охрана водных объектов от аварийных выбросов нефти на магистральных нефтепроводах

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Охрана водных объектов от аварийных выбросов нефти на магистральных нефтепроводах"



Магадесв Марат Шарнфовнч

ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСОВ НЕФТИ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДАХ

Специальность: ! 1.00.11 -" Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание степени кандидата технических наук

Магадесв Марат Шарнфовнч

ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОГ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСОВ НЕФТИ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДАХ

Специальность: 11.00.11-" Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Российском научно-исследовательское институте комплексного использования и охраны водных ресурсо! (РосНИИВХ)

Научный руководитель: - доктор технических наук, Академик инженерш академии республики Башкортостан В.Л. Бондаренко

Официальные оппоненты -д. т. н, профессор, Академик МАНЭБ,

Академик РАВН, В. А. Волосухин - д. т. н, член корр. Академии ЖКХ, А.Н. Попов

Ведущее предприятие: Вельское бассейновое водное управление

Защита состоится " 9 "декабря 1998 г. в 14 часов на заседан диссертационного совета Д.099.01.01 при РосНИИВХ по адре< г.Екатеринбург, ул. Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ

адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23. Автореферат разослан «_

ноября 1998 г. Отзывы на автореферат, утвержденные гербовой печать просим направлять по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, ^ РосНИИВХ;

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., с.н.с.

Ю.С. Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_темы. Поддержание сбалансированности

антропогенной нагрузки с непрерывно протекающими процессами жизнедеятельности на водных объектах выдвигает ряд важнейших задач, гребующих комплексных исследований по разработке водоохранных мероприятий с использованием экологически приемлемых инженерных эешеннй.

На результатах анализа причин загрязнения водных объектов Республики Башкортостан (РБ) установлено, что одним из основных факторов, влияющих на их загрязнение являются чрезвычайные ситуации, зозникагощие при транспортировке нефти, нефтепродуктов по магистральным трубопроводам. Трубопроводная система транспорта нефти II нефтепродуктов является основным видом транспорта углеводородов в этечественной и зарубежной практике. Особую опасность загрязнения зодных объектов нефтью создают подводные переходы (дюкеры) через эусла малых рек, составляющих гидрографическую основу средних и эольших рек. Только на территории Республики Башкортостан насчитываются 656 подводных переходов, а в районе г. Уфы 48 дюкеров.

Анализ ликвидационных работ на авариях нефтепроводов различной категории показывает, что несмотря на наличие разработанных механических средств и материалов, технологические схемы по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на водных объектах и водосборных территориях требуют новых, более эффективных механических средств, организационных мероприятий по чрезвычайным :итуациям.

В процессе углубления представлений о технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти возник класс задач по созданию золее совершенных заградительных механических средств с использованием синтетических тканевых материалов. В связи с этим возникла необходимость проведения комплексных исследований, направленных на:

-разработку основ расчета заградительных механических средств при логическом загружении;

-изучение гидравлических процессов взаимодействия заградительного устройства с водным потоком для определения гидравлических, геометрических и функциональных параметров;

-разработку организационных мероприятий и научно-обоснованных рекомендаций по снижению уровня загрязнения водного объекта при аварии т нефтепроводах.

Целью работы является разработка новых конструкций механических заградительных средств (МЗС), теоретическое и экспериментальное эбоснование их параметров, разработка методики расчета при статическом загружении.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

-анализ современного состояния изученности вопроса по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на магистральных нефтепроводах;

-натурные исследования аварии на подводном переходе нефтепровода ТОН-2 через реку Белую г. Уфы;

-экспериментальное обоснование параметров и режимов работы МЗС с разработкой базовых конструктивных решений;

, .-разработка методики расчета МЗС при статическом загружении, планирование математического эксперимента на ПЭВМ, имитационное математическое моделирование взаимодействия МЗС с водным потоком;

- разработка предложений по созданию нормативных документов, технических средств, материалов и организационных мероприятий по снижению уровня загрязнения водного объекта при аварии на нефтепроводе.

Методика исследований. Для решения поставленных задач проведены теоретические исследования с привлечением методов математического моделирования и имитационного математического эксперимента.

Обработка данных натурных исследований характера загрязнения реки, атмосферного воздуха в районе аварии в зимних условиях проводилась методами физико-химических исследований и математической статистики. Экспериментальные гидравлические исследования выполнялись с использованием физических моделей МЗС. Гидрологические исследования на участке в районе аварии проводились по установленным створам от места аварии до устья реки Белой.

На защиту выносятся:

- результата анализа и обобщения уникального опыта ликвидации аварии на нефтепроводе ТОН-2 через р. Белую в зимних условиях;

- теоретическое и экспериментальное обоснование геометрических, гидравлических и физико-механических параметров МЗС в составе технологических . схем локализации аварийного разлива нефти на магистральных нефтепроводах;

—. -новые конструкции МЗС с использованием синтетических тканевых материалов;

-комплекс организационных мероприятий и научно-обоснованных рекомендаций по снижени. уровня загрязнения водного объекта при аварии на нефтепроводе.

Научная новизна. Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров базовых МЗС для водных объектов. Методика расчета МЗС при статическом их загружении. Математическая модель взаимодействия МЗС с водным потоком.

Технологические схемы по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти на водных объектах с использованием базовых конструкций

мзс.

Практическая значимость. Теоретическое и экспериментальное эбоснование параметров мобильных заградительных механических средств позволяет использовать разработанные конструктивные решения в технологических схемах локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на водных объектах, водосборных территориях в стационарном и временном варианте. Результаты теоретических, экспериментальных и натурных исследований могут быть использованы водохозяйственными эрганизацнями в разработке водоохранных мероприятий, заводами при разработке технической документации на изготовление мобильных заградительных механических средств. Разработанные на примере Республики Башкортостан предложения по созданию нормативной базы, технических средств, материалов и организационных мероприятий по снижению уровня загрязнения водных объектов при аварии на нефтепроводе, которые могут быть использованы в системе Министерства природных ресурсов, Министерства по чрезвычайным ситуациям, а также региональными управлениями по эксплуатации нефтепроводов.

Разработанные конструкции МЗС могут использоваться в весенне-петние и осенне-зимние периоды.

Реализация и внедрение результатов работы. По результатам исследовании на Уфимском заводе эластомерных материалов и конструкций разработана техническая документация и изготовлены опытные промышленные образцы МЗС для локализации аварийного разлива нефти из нефтепровода на водосборной территории и выхода загрязненных грунтовых вод в русло реки Белой . Промышленные испытания мобильного МЗС производились на базе ОАО «Урало-Сибирские магистральные нефтепроводы им. A.M. Черняева».

Предложение по созданию нормативной базы, технических средств, материалов и организационных мероприятий внедрены в практическую деятельность Министерства Гражданской обороны и чрезвычайных :итуаций Республики Башкортостан.

Апробация работы и публикации. Основное содержание работы и толученные результаты докладывались, обсуждались и получили положительные оценки на Международной научно-практической конференции Геоэкология в Урало- Каспийском регионе (г. Уфы, 1996 г.), Международной научно-технической конференции "«Экологические проблемы промышленных зон Урала» (г. Магнитогорск, 1998 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Управление устойчивым водопользованием» (г. Екатеринбург, 1997 г.), Международный лшпозиум «Чистая вода России» (г. Екатеринбург, 1998 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных и рукописных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, эбщих выводов-и 2 приложений, содержит 153 страницы машинописного текста. 35 рисунков. 17 таблиц.

Список использованной литературы включает 109 наименований.

;' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе освещено состояние изученности вопроса по локализации аварийных разливов нефти, проведен анализ отечественных и зарубежных чрезвычайных ситуаций, возникающих при транспортировке нефти.

В результате анализа установлено, что основными причинами нефтяного загрязнения являются: аварии и катастрофы при транспортировке нефти водными, морскими и речными путями: аварии на промысловых и магистральных трубопроводах, аварии и катастрофы при транспортировке нефти и нефтепродуктов железнодорожным транспортом; утечки в процессах перекачки и перевозки нефти; утечки в процессах сливно-наливных операций; утечки и сбросы стоков нефтебазами, нефтеперерабатывающими и нефтехимическими заводами, расположенными вблизи от водных объектов: слив неочищенных балластных вод с танкеров.

В отечественной и зарубежной практике трубопроводная система транспорта нефти и нефтепродуктов является основным видом транспортирования углеводородов.

Отказы на трубопроводах, транспортирующих пожароопасные, токсичные продукты могут привести к загрязнению, зачастую с непоправимыми последствиями, всех компонентов окружающей среды (атмосферного воздуха, почвогрунтов, поверхностных и подземных вод), что в свою очередь, создает угрозу здоровью и жизни людей, может привести к гибели флоры и фауны.

Экологические последствия аварий усугубляется тем, что существующая система контроля'' при эксплуатации трубопроводов и надежности их технического состояния не позволяют своевременно обнаружить аварийные порывы трубопроводов.

В зависимости от срока попадания в водный объект, нефть в нем может находиться в грех состояниях: в растворенном, эммульгированном и плавающем в виде пленки. Пленка нефти под действием ветра перемещается со скоростью, примерно, в два раза превышающей движение верхнего слоя, воды, в результате чего загрязнение быстро может распространяться на очень большие расстояния. Следовательно, при непринятии своевременных мер по локализации и сбору попавшей в водный объект нефти могут произойти непредсказуемые экологические последствия. . .

Технология сбора разлитой на поверхность водных объектов нефти и нефтепродуктов представляет собой сложную, ожидающую своего решения проблему. Существует несколько путей решения проблемы, базирующихся на физических, физико-химических, механических методах. Из всего многообразия методов, как показывает опыт работы по сбору аварийно-

разлитой нефти, наиболее рациональны механические методы, основанные на использовании различных типов заградительных устройств, нефтесборщиков.

Анализ ликвидационных работ на авариях нефтепроводов различной категории показывает, что несмотря на наличие разработанных механических средств и материалов, ликвидация аварий в части локализаций, сбора и утилизации на водоемах нефти происходит недостаточно эффективно по причинам отсутствия надежных механических средств локализации, неэффективности организационных мероприятий, отсутствия специализированных отрядов.

Внедрение ряда технических и организационных мероприятий в определенной степени обеспечивало защиту водных объектов от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Опыт показывает, что в настоящее время в стране и за рубежом ведутся разработки по созданию эффективных технических средств, материалов и технологий по сбору аварийно разлитой на поверхности водных объектов нефти и нефтепродуктов. Однако, основная работа в этом направлении, в настоящее время, проводится применительно к крупным водным объектам, в основном к судоходным. Применяемые в настоящее время механические средства и технологии по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на воде недостаточно применимы для условий средних и малых рек. Для локализации аварийных разливов нефти, как на водосборной территории бассейнов рек, так и непосредственно на водных объектах, используемые технические средства не отвечают современным требованиям в части конструктивного несовершенства и высокой ресурсоемкое™. В бассейнах малых и средних рек проживает до 40 % населения нашей страны. Малые реки, озера, болота, как правило, являются начальными составными элементами бассейновых экосистем больших рек. Поэтому охрана их от загрязнения нефтью и нефтепродуктами в значительной мере способствует решению проблемы охраны водных ресурсов в целом.

Из опыта ликвидации аварийных разливов нефти, можно отметить, что распростраг:ение пролитой нефти в условиях реки зависит от морфометрических характеристик реки, температуры воды, воздуха, скорости и направления ветра и от вязкости нефти.

Анализ имеющихся конструктивных разработок по локализации распространения нефти на водных объектах и на водосборных территориях показывает, что для снижения социально-экономического и экологического ущерба требуется создание более совершенных механических средств и специализированных подразделений для оперативного использования данных механических средств.

Накопленный опыт ликвидации аварийных разливов нефти из магистральных трубопроводов на территории Республики Башкортостан показывает, что в настоящее время существует несколько способов удаления нефти с поверхности водных объектов: сжигание; перевод в донные отложения; диспергирование; сбор при помощи нефтесборщиков.

Практика показала, что все выше приведенные методы являются сложными с технической стороны, и не совершенными с экологической точки зрения.

Используемые в отечественной практике технологические схемы локализации и сбора нефти с водной поверхности включает в себя три стадии: локализация участка водного объекта (реки) от распространения разлившейся нефти вниз по течению реки; сбор разлитой нефти с водной поверхности; отделение собранной нефти ( или эмульсии) от воды.

Применительно к руслам рек, технологические схемы по локализации, сбору и разделению собранной нефти от воды принципиально не отличаются от общепринятых стадий. Однако, следует отметить, используемые в отечественной и зарубежной практики различные механические средства в виде боновых заграждений и т.п. не используют кинетическую энергию руслового потока, что в значительной мере снижает эффективность технологических операций по локализации и сбору (отводу) нефти с водной поверхности речного русла. Наиболее характерные конструкции механических средств по локализации аварийных разливов нефти на водной поверхности представлены в виде патентного анализа отечественных и зарубежных изобретений и разработок, который показал, что имеющиеся конструктивные схемы заградительных устройств имеют ряд недостатков, к которым можно отнести следующие:

- не используется энергия речного потока для отвода нефти с водной поверхности;

-криволинейное расположение в плане на водной поверхности речного потока ограждающего механического устройства не обеспечивает необходимого снижения загрязнения водной среды нефтепродуктами;

-криволинейное расположение в плане ограждающего механического устройства требует увеличения ресурсных запрат на сбор нефти с водной поверхности путем использования различных плавсредств;

-приведение в . рабочее состояние ограждающих механических устройств требует значительного периода времени (15-30 часов), а в зимний период практически не выполнимо.

Из анализа вышеперечисленных процессов взаимодействия между окружающей средой и разлитой нефтью можно сделать следующие выводы:

1. Для снижения уровня загрязнения природной среды ( воды, атмосферы, почвогрунтов) при аварийном разливе нефти необходимо обеспечить уменьшение продолжительности протекания процессов распространения, испарения, растворения, эмульгирования, окисления нефти.

2. Продолжительность процессов распространения, испарения, растворения, эмульгирования, окисления нефти может быть управляема при наличии совершенных механических средств локализации и эффективных организационных мероприятий.

3. Механические средства по локализации и сбору (отводу) нефти не водной поверхности русел рек должны максимально учитывать. р использовать кинетическую энергию и гидравлическую структуру речногс

потока.

Во второй главе приведены результаты натурных гидрологических исследований участка реки в районе аварии, исследования загрязнения реки и атмосферного воздуха в районе аварии; дан анализ эффективности работ различных конструкций механических заграждающих устройств, нефтесборщиков и сорбентов технологической схемы локализации нефти с поверхности воды в зимних условиях; показано состояние изученности вопроса по наплавным заградительным механическим средствам.

Река Белая в районе подводного перехода на нефтепроводе ТОН-2, где произошла утечка нефти, протекает в широкой (около 3 км) пойме. Ширина русла колеблется от 250 до 450 м. Средний уклон дна реки 1д = 0,4 Уо. Ниже по течению 9300 м от створа подводного перехода нефтепровода средняя скорость течения реки у правого берега составила 0,13 м/с. В створах, расположенных в 8,5 км и 17,5 км ниже подводного перехода соответственно составила 0,71 м/с и 0,32 м/с.

Авария произошла в зимний период (26 декабря 1995 г), когда в дневные часы температура воздуха снижалась до минус 32°С, а в ночные до минус 40°С. В эти дни шел активный процесс ледообразования, что способствовало вмерзанию прослоек нефти в ледяной покров.

Для целей определения характера, путей миграции и распространения вытекшей нефти вниз по течению ( от места аварии до устья реки) были проведены гидрологические исследования.

Наблюдаемые процессы распространения нефти подо льдом установлены на участке реки протяженностью в 3 км, где были установлены боновые заграждения.

На одиннадцатые сутки после аварии, у боковых заграждений стала скапливаться нефть по всей ширине русла реки. Используемая конструкция боковых заграждений не обеспечила отвод нефти с водной поверхности к береговым "амбарам" и скопившаяся нефть по установившимся гидравлическим условиям стала распространяться вниз по течению от боновых заграждений в виде мелких капель.

Результаты гидрометрической съемки не позволили сделать прогноз дальнейшего распространения загрязнения в виду того, что гидрологическая картина движения нефти в речном потоке изменялась достаточно динамично и непредсказуемо с каждым последующим днем. Как было установлено, до первых боновых заграждений наблюдалось струйное движение нефти, после боновых заграждений перешло в капельное и пленочное. Нефть распределялась по всей ширине руслового потока, а образование нефтяного слоя на поверхности воды способствовало распределению нефтепродуктов по глубине потока.

Прогнозирование распространения нефти в речном потоке осуществлялось по данным гидравлических характеристик потока: расходов воды, средней концентрации нефти, средней скорости потока по заданным створам.

Средняя концентрация эмульгированной нефти в воде определялась с

помощью специальных ловушек, выполненных из полотне хлопчатобумажной марли, натянутую на квадратную рамку, площадью 0,2! м2. Замеры осуществлялись на трех уровнях по вертикали: у поверхности, к средней части глубины потока и у дна..

Визуальный просмотр ловушек показал, что нижняя (придонная^ ловушка меньше других Загрязнена частицами нефти, средняя ловушкг загрязнена на 75-80 %. площади фильтрации, а верхняя загрязнена на 50-6С % площади фильтрации. Анализ общего количества задержаннот ловушками нефти, произведенный в аналитической лаборатории Институт; проблем прикладной экологии и природопользования (ИППЭиП), показаг следующее:

- наибольшее распределение нефти (691 мг/м2) отмечалась в средне,% сечении потока ( на уровне 110-160 см от поверхности воды), наименыиш концентрация нефти (8,3 мг/м2) в придонном слое реки. На уровне 10-60 с\ от поверхности воды концентрация нефти в воде составила 248 мг/м2.

Результаты гидрологического обследования р. Белая в районе аварщ на нефтепроводе ТОН-2 позволяют сделать следующие выводы:

- невысокая скорость течения реки (0,13 м/с), а также низкая температура воздуха до минус 40°С в ночные часы способствовали компактном) скоплению нефти под ледяным покровом на участке протяженностью околс 6 км от места аварии до первых боновых заграждений.

- первые боновые заграждения и повышенная скорость течения рею ( в среднем 0,71 м/с) на нижних ее участках ( от р. Тугай до паромной переправы) нарушили сплошность движения нефти. Нефть равномерно распределилась в виде капель по сечению реки, в соответствии с характерог* распределения скоростей потока.

Как показали расчеты, суммарный объем нефти, излившейся чере: дефектное место подводного перехода нефтепровода ТОН-2, составит 1303,7 т. Определение количества растворившейся нефти при контакте ее с водой осложняется при выполнении расчетов применительно к растворентс нефти в зимний период из-за отсутствия сведений о растекании и движение нефти под ледяным покровом.

Растворимость нефти понижается в зависимости от среды в следующей последовательности: дистиллированная вода, пресная вода, морская вода

Результаты исследований показывают, что растворимость нефти незначительно зависит от температуры и определяется ее составом.

Количество растворенной нефти определяется по формуле:

О н.р.= (С1 - сср) • др • г, (1)

где С1 - средняя концентрация нефти в воде ниже места аварии, мг/л: Сер - средняя фоновая концентрация нефти в воде выше места аварии, мг/л: аг> -пасхоп вопы п. Белая. мЗ/с: 1 - пасчетное впемя наблюдений. с\т.

Адсорбированная льдом нефть представляла'значительную опасность, поскольку после таяния льда река Белая ниже места аварии ТОН-2 могла загрязниться нефтью. Поэтому представлялось необходимым оценить количество нефти, адсорбированной льдом.

Количество адсорбированной ледяным покровом нефти определяется по формуле:

0„=(с„ - Сф) « Ут . (2)

где Сн - средняя концентрация нефти в 1 литре растопленного льда отобранных проб, мг/л;

Сф - фоновая концентрация нефти в 1 л растворенного льда, в пробах, отобранных 500 м выше места аварии, мг/л; Ул - объем ледяного покрова, загрязненного нефтью, мЗ.

Исследования степени загрязнения донных отложений р. Белая в результате аварии ТОН-2 проводились совместно институтами «Башгипроводхоз» и ИППЭиП.

Отбор проб донных отложений производился специальным пробоотборником на участке реки протяженностью 7 км от места аварии на ТОН-2.

Объем нефти в донных отложениях рассчитывается по формуле: <?! = $• С ср,, (3)

где - объем нефти в донных отложениях; - площадь обследованного участка;

С ср1 - средняя концентрация нефти в донных отложениях за вычетом

фона.

Загрязнение атмосферного воздуха при аварийных разливах нефти происходит за счет испарения легких фракций нефти при положительных температурах и при сжигания нефти. При сжигании нефти наряду с испарениями нефти в атмосферный воздух попадают продукты сгорания.

Для оценки объема загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух при ликвидации аварии на ТОН-2, применялись три метода:

отбор и анализ проб воздуха на прилегающей территории;

снеговая съемка территории;

расчетный метод.

Исходя из полученного опыта ликвидации аварии на нефтепроводе ТОН-2 было установлено, что используемые в практике конструкции боновых заграждений не обеспечивают отвод нефтепродуктов с водной поверхности к береговым амбарам.

Технологическая схема локализации распространения нефти в речном потоке включает в себя следующие элементы:

- гибкое механическое устройство, которое должно обеспечивать отвод нефти с водной поверхности к береговому амбару;

- нефтесборщики, которые обеспечивают сбор нефти с водной поверхности берегового амбара;

- сорбенты, которые способствуют более эффективному сбору и отводу нефти с поверхности речного потока после механического сбора основной массы нефти.

Наиболее важным элементом технологической схемы является гибкое механическое заградительное средство, обеспечивающее основную функциональную задачу - снижение уровня загрязнения водного потока нефтью, путем эффективного отвода нефти с водной поверхности к береговому амбару.

Используя отечественный опыт создания и применения в водном хозяйстве конструкций из синтетических тканевых материалов, который широко представлен в работах Б.И.Сергеева, ВАВолосухина, В.Л.Бондаренко, Б.М.Косиченко, Ю.А.Свистунова и др., нами были разработаны базовые конструкции МЗС, обеспечивающие эффективную защиту водного объекта от аварийного разлива нефти из магистральных нефтепроводов.

Используя полученные базовые конструкции заградительных средств, нами были разработаны технологические схемы локализации аварийных разливов нефти из нефтепроводов на водных объектах г водосборных территориях.

Технологическая схема локализации аварийного разлива нефти ш водном объекте включает в себя наплавные МЗС, береговые приемные амбары, нефтесборщики и различные виды сорбентов, способствующи< более эффективному отводу нефти с речного потока к береговым амбарам.

В третьей главе рассмотрен вопрос физического моделирования МЗС, экспериментальная установка, методика исследований, результата экспериментальных исследований МЗС.

Экспериментальные исследования имели своей целью изучение гид равлических процессов взаимодействия МЗС с водным потоком дл: определения • гидравлических, геометрических, функциональны: параметров.

Решение поставленных вопросов решалось во взаимосвязи всех па раметров потока и конструкции МЗС, а также с влиянием одних на другие 1 обратно. В связи с этим возникает необходимость моделировани гидравлических характеристик и состояния в элементах МЗС при различны сочетаниях воздействующих факторов.

При выяснении степени сходства напряженного состояния мягко оболочки заградительного устройства, происходящих в натуре и на моделг используется П-теорема. Согласно этой теоремы, если известно Ш те раметров, имеющих П размерностей, полностью характеризующих какой либо процесс, то их можно сгруппировать в Ш-П безразмерных П-члено1

функция от которых будет описывать рассматриваемый процесс, а сами П-члены - отражать функциональную зависимость между этими параметрами.

Из анализа, приведенного в работе, следует, что при моделировании МЗС из тканевых материалов необходимо учитывать жесткость материала, что подтверждается в работах профессора Волосухина В.А.

Гидравлические исследования моделей заградительных устройств были проведены в гидравлической лаборатории Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА).

Исследования проводились в стеклянном гидравлическом лотке с рабочими размерами 8,9 х 1,0 х 0,5, где устанавливались модели на расстоянии 5 м от напорного бака и успокоительных решеток, что обеспечивало надлежащее успокоение потока перед моделью.

Модель заградительного устройства изготовлялась из прорезиненной ткани на капроновой основе. Толщина ткани 0,3 мм, относительная деформация 20-25 % с модулем упругости Е = 4»103 кг/см2. Следует отметить, что при выборе материала для моделей придерживались следующих положений:

а) соблюдение условия подобия моделей и натурных заградительных устройств, которые могут изготовляться из отечественных тканевых материалов;

б) с целью получения более полного представления о работе материала, модели изготавливались из мягких резинотканевых материалов с такими же компонентами, что и в тканях, используемых для изготовления заградительных устройств на Уфимском заводе эластомерных материалов и конструкций.

Результаты визуальных наблюдений фиксировались видеокамерой. Измеряемые величины фиксировались в специальном журнале лабораторных исследований.

Анализируя вопрос о точности, с которой производились опыты, молено отметить, что в целом, вероятностные погрешности в результате этих опытов, вызванные погрешностями в измерениях составили порядка 3 - 6 %.

В результате лабораторных исследований было определено оптимальное значение величины угла ((3), устанавливаемого между системой поверхностных поплавков заградительного устройства и нормалью к динамической оси потока воды.

Оптимальные значения угла ((3), при которых наблюдалось наиболее интенсивное отведение имитационной плавающей нефти к борту лотка, составило 17 - 20е

При значениях р > 20° происходит увеличение длины заградительного устройства выше пределов, при которых гибкое заградительное устройство снижает свою управляемость.

При значениях угла р < 17° начинает наблюдаться подсос плавающей имитационной нефти под нижнюю кромку системы заглубленных поплавков заградительного устройства.

В результате исследований нами было установлено, что основными

факторами, оказывающими влияние на те или иные параметры МЗС, являются следующие:

а) выполнение заданных функциональных задач;

б), технологические требования при изготовлении конструктивных элементов;

в) требования по транспортировке МЗС;

г) требования по выполнению монтажных операций при установке МЗС в районе аварии на нефтепроводе;

д) условия эксплуатации МЗС, как стационарного, так и временного

типов;

е) требования по выполнению заданного фактора времени. Гидравлическими исследованиями было выявлено, что плановое расположение в русле потока и форма оболочки МЗС определяют оптимальную гидравлическую структуру потока, способствующую максимальному отводу нефти с водной поверхности к береговому амбару.

Установлено, что форма оболочки определяется действующими на МЗС нагрузками, физико-механическими свойствами используемого тканевого материала, задаваемым параметром оболочки и пространственным расположением устройства в водном потоке или водоохранной зоне.

Полученные результаты лабораторных исследований МЗС были использованы при разработке технической документации на изготовление опытных образцов для технологических схем локализации аварийного разлива нефти на водосборе и выхода загрязненного нефтепродуктами грунтового потока в русло реки.

Результаты гидравлических исследований МЗС были использованы в дальнейшем при разработке имитационных математических моделей.

В четвертой главе рассмотрены основы расчета заградительного устройства при статическом загружении, постановке задачи планирования математического эксперимента на персональной ЭВМ, имитационный математический эксперимент и оценка его достоверности, а также представлены результаты имитационного математического моделирования мягкого заградительного устройства.

Используя теоретические основы расчета мягких заградительных конструкций," изложенных в работах Волосухина В.А. при расчете механических заградительных устройств, включающих мягкую оболочку, приняты следующие допущения:

- мягкая оболочка принимается цилиндрической, так как ее размеры по длине значительно (более чем 210 раз) превышают размеры по высоте, т.е. рассматривается плоская задача;

- мягкая оболочка МЗС принимается весомой, причем погонный вес взвешенной в воде оболочки q = СОПЭ!;

- на оболочку действует гидростатическая нагрузка в виде прямоугольной эпюры давления с ординатой, равной РсТ;

- материал оболочки растяжим. Функция £ — Г(Т) вполне конкрет-

пая.

Для определения геометрических (периметр, длина, диаметр) и физико-механических (растягивающие усилия, подъемная сила) параметров мягкой оболочки, гибких связей, систем поплавков в соответствии с расчетной схемой уравнения равновесия элемента оболочки запишутся в следующем виде:

flFz = Tsina-(T+dT)sin(a+da) + Pdscos(a + da / 2)qds = 0 IJEFx = T • cosa -(T + dT)cos(a + da) + P • ds • sin(a +da/2) = 0 (4)

где T; dT - усилие в оболочке и его приращение; ОС, dot - текущий угол и его приращение; ds - длина конечного элемента оболочки.

Исходя из принятой расчетной схемы, радиус кривизны элемента оболочки выразится следующим образом:

После преобразований уравнений (5) получим систему дифференциальных уравнений вида:

В виду нелинейности функциональной зависимости <15=Г(Т), решение системы дифференциальных уравнений (6) вызывает значительные трудности. Поэтому нами используется инженерный метод расчета, который вполне удовлетворяет ремонтным практическим задачам применительно к гибким МЗС. Метод расчета основан на разбиении мягкой оболочки на конечное число взаимосвязанных элементов. Мягкая оболочка рассчитывается следующим образом:

I. Задаваясь начальными значениями угла (С£о) и усилием (То) в верхней кромке полотнища (место соединения тканевого полотнища к системе поверхностных поплавков) и задаваемым шагом ^Бо). Так как оболочка МЗС принималась весомой, dS = Т), 1о б = Г(Т), то растягивающее усилие (Л) и шаг являются переменными величинами по

R = ds / da =T/R,

а также

dZ / dX = tga; dX/dS = cosa; dZ/dS = sina; P - gcosa/T = da / dS (5)

(6)

длине оболочки. Гидростатическое давление (Pst), действующее на оболочку постоянно по ее высоте.

2. Вычисляется текущее значение Ti, ASi; ai; Xi; Zi, где ASi - принимаемый шаг по текущему углу а.

Т i+1 = Ti - g (Zi + ASi» sina/2)

AS i+1 = lo б (Ti)/n

Aa = (Pen - cosai) ASi/ Ti

X i+1 = ai + Aa

X i+1 = Xi + ASi • cosa i+1

Z i+1 = Zi + ASi + ASi • sina i+1

где q - погонный вес оболочки; n - число разбиений для МЗС, имеющего сравнительно небольшой периметр оболочки, принималось п = 30-50.

В качестве функции отклика для проектирования МЗС необходимо иметь следующие параметры оболочки:

1 Усилие в верхней кромке оболочки (Тв);

2 Усилие в нижней кромке оболочки (Тн);

3 Угол в верхней кромке оболочки (ав);

4 Угол в нижней кромке оболочки (ап). Исследованиями функций отклика было установлено, что растягивающее усилие в верхней и нижней кромках мягкой оболочки МЗС различаются на величину qH, что находит теоретическое подтверждение в работах В.А. Волосухина, В.Э. Могула, т.е.

для растягивающих усилий в верхней кромке оболочки МЗС:

Тв/10б = 117,63 - 307,22Н / 1об. - 4479,2 Рст /у!об +

+ 4223,2q /у 1„б + 11Ю,7 Hlo6q/ylo6 + 200,18 (Н / 1о6)2,

для растягивающих усилий в нижней кромке оболочки МЗС:

Тн/10б = 117,63 - 307,22Н / 1об. - 4479,2 Рст /у1об + + 4223,2q /у1о6 + 1296,2Н / lo6q / ylo6 + 200,18 (Н / 1об)2, (7)

Следовательно, для практических расчетов МЗС используемых на верхних объектах достаточно оставить три функции отклика: Тв; ав; ан. При исследовании мягких конструкций, как это показано в работах Волосухина В.А,, Бондаренко B.JI. и др., наиболее эффективно имитационное математическое моделирование. Это связано со сложностями физического эксперимента, например, осуществить строгое физическое моделирование тканевого материала очень затруднительно. Для этих целей

необходимо изготовить материал основы, подобрать его физико-механические свойства, выдержать тип переплетения нитей и подобрать тип покрытия.

При математическом моделировании процесс исследования осуществляется по-иному. Используется рекомендуемый материал, который уже имеется на заводе изготовителе. Исследуются его физико-механические свойства, которые затем закладываются в математическую модель.

Цель математического моделирования второго порядка заключается в получении уравнения регрессии в виде полинома:

L L L

у = Ьо + т. b¡x¡ + £ b¡jXjXj + z bjjX* (8)

I I 1

где Y - функция отклика, Xi - факторы эксперимента.

При двухфакгорном математическом эксперименте регрессионная зависимость имеет вид:

Y = Ьо+ biX, + Ь2Х2 + Ь3Х,Х2 + Ь4Х,г + Ь5Х22.. (9).

В настоящее время при математическом моделировании наибольшее распространение получили рототабельные центральные композиционные планы в виду их достаточно строго математического обоснования и более точного математического описания поверхности отклика.

Для проверки гипотезы об адекватности представления результатов математического эксперимента полученным уравнением регрессии оценивается отклонение выходной функции, полученной из регрессионного уравнения от результатов эксперимента в тех же точках факторного устройства.

Проверка адекватности осуществляется по критерию Фишера в следующей последовательности:

- рассчитывается значение функции отклика для каждого опыта по уравнениям регрессии, из которых исключены незначительные члены;

- рассчитывается дисперсия неадекватности;

- определяется значение критерия Фишера по формуле:

F ОП = Д2ЬР / Д2у = ДД LF /г LF • ДД у Ду (Ю)

и сравнивает значение критерия Фишера Fon с его табличными значениями Ft, которые определяются по таблицам математической статистики. В формулу входят следующие обозначения ЛДьи - сумма квадратов, связанных с дисперсией, характеризующей ошибку опыта; ДДу -сумма квадратов, связанных с дисперсией, характеризующей ошибку опыта; f lf н fy - соответственно числа степеней свободы, отвечающих суммам

ДЦьг и ДЦу; Дгьг - дисперсия неадекватности математической модели; Дгу -дисперсия ошибки опыта.

Имитационный математический эксперимент выполнялся на ЭВМ 4-го поколения ■ в вычислительной лаборатории Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА).

При разработке математической модели мягкого МЗС использовались теоретические . разработки проф. В.А. Волосухина. Математическая модель включает модель материала, модель геометрических параметров устройства (геометрические уравнения при погружении), граничные условия (ограничения на параметры несущего элемента и анкерные устройства) и модель численного счета.

Для обоснования модели материалов, в лаборатории испытания материалов НГМА, было проведено более 5 тыс. опытов на разрывных машинах по исследованию зависимости разрывных усилий от величины деформации. Материалы были представлены Уфимским заводом эластомерных материалов и конструкций (УЗЭМиК).

Результаты исследований математической модели мягкого МЗС в виде полиномов второй степени представлены в таблицах.

По результатам имитационного математического моделирования мягкой оболочки МЗС были построены расчетные номограммы для инженерных расчетов.

В пятой главе приводятся основные результаты разработки предложений и рекомендаций по созданию нормативных документов, технических средств и материалов для снижения уровня загрязнения водного объекта при аварии на нефтепроводе.

На основе наших предложений в МГО и ЧС РБ разработана, введена в действие (приказ №151п от 6 июня 1995 г.) и согласована с министерством юстиции РБ Инструкция "О порядке проведения расследования, оформления материалов и привлечения виновных юридических и физических лиц к ответственности в случаях загрязнения водных объектов". Зачастую этим документом не пользуются, поэтому возникали разногласия при взятии проб воды и льда, грунта, а также при оценке объемов нефти, попавшей в водный объект р. Белая в результате аварии, объемов сожженной и растворенной нефти.

С целью объективного предъявления иска по ущербу, нанесенному водному объекту, необходимо уточнение порядка и правил получения информации по ЧС.

Нормативная документация, обеспечивающая выполнение стандартных анализов при контроле обстановки в республике имеется в достаточном количестве.

Опыт показывает, что расследование аварийных ситуаций предполагает строго индивидуальный подход в зависимости от конкретной ситуации, поэтому предусмотреть полный перечень нормативно-технической документации для решения задач, возникающих при аварийных ситуациях невозможно. Необходимо четко определить обязанности

руководства ликвидацией ЧС.и комиссий по их расследованию.

На сегодняшний день отсутствует приемлемая методика оценки ущерба, нанесенного окружающей природной среде при авариях, в т.ч. ущерба водным объектам в результате аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Имеющиеся методики не позволяют однозначно определять количество растворенной нефти в воде при длительном контакте разлитой нефти при отрицательных температурах, т.е. в ледовых условиях.

Отсутствует методика оценки ущерба, нанесенного водоемам в результате аварийного загрязнения донных отложений нефтью и нефтепродуктами. По этой причине возникают затруднения при оценки степени загрязнения донных отложений, в особенности при определении доли загрязнении в результате конкретной аварии. В данной методике должно быть предусмотрено, кроме всего остального, проведение фонового мониторинга донных отложений в местах прокладки подводных переходов нефтепродуктопроводов.

Анализ документов по расследованию аварий показывает, что нет также приемлемой нормативной документации, регламентирующей оформление документов по авариям.

У предприятий трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов не имеется табеля оснащения аварийно-спасательных служб, занятых при ликвидации последствий аварий на нефтепроводах.

Анализ ситуации по обнаружению, регистрации аварии, ликвидации ее последствий показал, что необходимо совершенствовать существующую и разрабатывать новую систему обнаружения и ликвидации последствий аварийных разливов нефти.

Предложения по совершенствованию системы предупреждения и ликвидации последствий аварийных разливов нефти на подводных переходах через водоемы разделены на несколько блоков.

1. Мероприятия по повышению надежности и экологической безопасности магистральных нефтепроводов.

2. Мероприятия по раннему обнаружению и локализации аварийных разливов нефти из нефтепроводов на водных объектах.

3. Повышение эффективности системы сбора и утилизации разлитой нефти в результате аварий на подводных переходах.

4. Научно-исследовательские работы.

Одним из основных направлений повышения эффективности действий аварийных служб при ликвидации аварий на подводных переходах является улучшение технической оснащенности служб, для чего необходимо иметь табель оснащенности, который составляется с учетом классификационной характеристики подводных переходов через русла рек.

Для составления классификационной характеристики подводных переходов нефтепроводов' необходимо иметь следующие исходные материалы:

1) картосхема (М 1: 2000) места расположения перехода с указанием подъездных дорог, систем связи и других;

2) морфометрические характеристики русел рек, места расположения дюкера;

3) гидравлические характеристики русел рек, по заданным створам для 95 %, 75 %, 50 %, 10 %.. 5 % обеспеченности по сезонам года (зима, весна, лето, осень);

4) ледовый режим участка реки, где проложен подводный переход;

5) климатические характеристики района расположения перехода нефтепровода через русло реки;

6) места расположения водозаборных сооружений вниз по течению от створа подводного перехода нефтепровода.

Для выполнения работ по локализации аварийного сброса нефти в водный объект нами рекомендуется технологическая схема, включающая в себя МЗС, которые устанавливаются на расчетных створах ниже по течению от створа перехода.

Использование данной технологической схемы по локализации аварийных сбросов нефти в водный объект возможно как в весенне-летний период, так и в осенне-зимний период.

Функциональные возможности предлагаемых МЗС обеспечивают технологическую схему отвода нефти из русла реки с использованием сорбирующих материалов.

Данная технологическая схема может быть использована в стационарном варианте. В нерабочем режиме МЗС лежат на дне реки в заданном створе. Подъем в рабочее положение осуществляется путем продувки сжатым воздухом системы поплавков. В зимний период перед подъемом требуется выполнение майны шириной до 2,5 м по створу МЗС.

На примере ликвидации последствий аварии на подводном переходе через реку Белая нефтепровода ТОН-2 выполнен расчет экономической эффективности применения МЗС (таблица 1)

Эффективность использования МЗС при локализации аварийных разливов нефти

Таблица 1

При использовании При использова-

традиционных ме- нии базовых

ханических средств конструкций МЗС

1 2 3

1. Общее количество нефти, попавшее

в р. Белую при аварии 1307 тн 1307 тн

2. Продолиагтельность нахождения

нефти в воде 83 суток 10 суток

3. Сожжено нефти на водной

поверхности 961 тн -

4. Адсорбировано льдом 96,1 тн 96,1 тн

5. Растворилось в воде 90 тн 11 тн

6 Осело в донные отложения ■4f;8 5,2 тн

7. Собрано механическим» средствами 30 тн 1069 тн

8. Собрано с применением сорбентов 90 тн 116 тн

9. Ущерб от сожженной нефти 52 ООО руб. -

10. Ущерб от нефти, оставшейся в воде

и донных отложениях 6 670 000 руб. 833 000 руб.

11. Суммарный ущерб (УЕ) Yl = 6 722 000 руб. ' Y2 = 833 000 руб.

12. Стоимость механических средств (К) К1 =85 000 руб. К2 = 85 000 руб.

Экономическая эффективность определялась по формуле:

Э = (K1 +Y1) - (К2 + Y2) Э = 6 807 ООО - 918 ООО = 5 889 ООО руб. (11)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Защита водных объектов от поступления загрязняющих веществ по причинам чрезвычайных ситуаций на нефтепроводах, вызывающих выбросы нефти в окружающую среду, может осуществляться разработанными технологическими схемами, включающими в себя мобильные МЗС, имеющие научно обоснованные геометрические, гидравлические физико-механические и функциональные параметры.

2. Научный анализ ликвидационных работ по аварии на нефтепроводе ТОН-2 (декабрь 1996 г.) и проведенные натурные исследования на участке от места аварии до устья реки Белой позволили установить, что используемые механические средства, материалы и организационные мероприятия по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти имеют низкую эффективность и недостаточно решают задачи, связанные с защитой водного объекта и окружающей среды от катастрофического загрязнения.

3. На основе результатов патентного диализа, используя отечественный опыт создания и применения мягких конструкций гидротехнических сооружений, разработаны базовые конструкции МЗС, обеспечивающих повышение функциональной эффективности технологических схем локализации и ликвидации аварийных разливов нефти из нефтепровода.

4. На полученных результатах физического и математического моделирования процесса взаимодействия МЗС с водным потоком научно обоснованы и определены геометрические,

гидравлические, физико-механические и функциональные параметры базовых конструкций.

5. Лабораторными исследованиями определены оптимальные значения величины угла (р = 17-20°), устанавливаемого между системой поверхностных поплавков МЗС и нормалью к динамической оси руслового потока, при этом функциональная эффективность отвода имитационной нефти с поверхности потока воды составила 93-96% от общей массы.

6. Используя теоретические основы расчета мягких конструкций, разработана методика расчета МЗС, включающего в себя конструктивные элементы мягкой оболочки, системы поплавков и гибких связей.

7. На основе базовых конструкций МЗС разработаны технологические схемы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на водных объектах.

8. По полученным результатам исследований на Уфимском заводе эластомерных материалов и конструкций разработана техническая документация на изготовление МЗС для технологических схем локализации и ликвидации аварийных выбросов нефти из нефтепродуктов и выхода загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод в русло реки. Изготовлен опытный образец МЗС, производственные испытания которого проводились на базе АООТ Управление Урало-Сибирских магистральных нефтепроводов.

9. Разработаны и внедрены в МГО и ЧС Республики Башкортостан предложения по созданию необходимых нормативных документов, технических средств, материалов и организационных мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на магистральных нефтепроводах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бондаренко В.Л., Магадеев М.Ш. Технологически схемы локализации аварийных сбросов загрязняющих веществ на водные объекты // Геоэкология в Урало-Каспийском регионе. Тезисы докладов международной научно-практической конференции, Уфа, 1996.- с. 127128.

2. Бондаренко В.Л., Магадеев М.Ш. Локализация грунтовых вод, загрязненных нефтепродуктами в прибрежной полосе речного потока // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Управление устойчивым водопользованием» -М.-Екатеринбург.

1997.-с.38-40.

3. Бондаренко B.JI., Магадеев М.Ш. Мягкие конструкции для предупреждения и локализации чрезвычайных ситуаций на водных объектах //Сб. трудов Международной научно-технической конференции «Экологические проблемы промышленных зон Урала» - Магнитогорск,

1998,с. 142-147.

4. Магадеев М.Ш., Суслов A.C., Танатаров А.Ф. Чрезвычайные ситуации и происшествия техногенного и природного характера на территории Республики Башкортостан// Башкирский экологический вестник, №2 (2), 1998 г., С59-61.

5. Магадеев М.Ш., Минигазимов Н.С. Последствия аварий на подводных переходах магистральных нефтепроводов // Тезисы докладов международной научно-практической конференции, Уфа, 1996.- с. 179 -181

6. Магадеев М.Ш., Суслов A.C., Танатаров А.Ф. Авария на подводном переходе через реку Белая // Обзорная информация ВИНИТИ, вып. 3, Москва, 1998.-с. 72-77.

7. Государственный доклад « О состоянии защиты населения и территории Республики Башкортостан от чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера в 1995 г.» под ред. Магадеева М.Ш., Уфа,

1995.с.122.

8. Государственный доклад « О состоянии защиты населения и территории Республики Башкортостан от чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера в 1996 г.» под ред. Магадеева М.Ш., Уфа,

1996.С.123.

9. Государственный доклад « О состоянии защиты населения и территории Республики Башкортостан от чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера в 1997 г.» под ред. Магадеева М.Ш., Уфа,

1997.С.127.

10.Магадеев М.Ш. , Суслов A.C. Снижение риска возникновения чрезвычайных ситуаций на нефтегазопроводах. Мероприятия по их предупреждению, защите населения и территорий Республики Башкортостан от чрезвычайных ситуаций// Тезисы докладов и выступлений первой Всероссийской научно-практической конференции, Оренбург, 1998-с.72-73.

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Магадеев, Марат Шарифович, Екатеринбург

6'/-' 99 - -X

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РФ РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

(РОСНИИВХ)

На правах рукописи

Магадеев Марат Шарифович

ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСОВ НЕФТИ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДАХ

11.00.11 -« Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

^ /

Научный руководитель: д.т.н. В.Л. Бондаренко

Екатеринбург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................... .5_

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ПО ЛОКАЛИЗАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ.............................._11_

1.1. Общие сведения............................................................... .11_

1.2. Основные причины загрязнений нефтью водной среды и

меры предупреждения............................-г;......................... .21

1.3. Анализ функциональной эффективности имеющихся конструкций механических заграждающих устройств, нефтесборщиков и сорбентов в составе технологической схемы локализации нефти на

водных объектах............................................................... .23_

1.4. Выводы по главе.............................................................. .27_

2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИИ НА ПОДВОДНОМ ПЕРЕХОДЕ НЕФТЕПРОВОДА ТОН-2 ЧЕРЕЗ РЕКУ БЕЛАЯ............__28_

2.1. Натурные гидрологические исследования участка р.Белая

в районе аварии на нефтепроводе ТОН-2...................................................................28

2.2. Загрязнение реки в районе аварии нефтепровода ТОН-2...........................35

2.2.1. Загрязнение реки.........................................................................................................................35

2.2.2. Оценка количества растворенной нефти.............................................................37

2.2.3. Оценка массы нефти, адсорбированной льдом р.Белая, на участке

от места аварии нефтепровода ТОН-2 до боновых заграждений _48

2.2.4. Оценка загрязнения донных отложений...............................................................52_

2.3. Загрязнение атмосферного воздуха в районе аварии

нефтепровода ТОН-2...................................................................................................................55

2.4. Заградительные механические средства для технологических схем локализации аварийных разливов нефти...................................................................68

2.5. Выводы по главе..............................................................................................................................71

3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАГРАДИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ............................................ __77_

3.1. Использование теории подобия при моделировании мягкого заградительного устройства................................................ .77_

3.2. Экспериментальная установка и методики исследований............ .80_

3.3. Результаты экспериментальных исследований мягкого заградительного устройства................................................ .83_

3.3. Выводы по главе.............................................................. .91 _

4. ИМИТАЦИОННОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЯГКОГО ЗАГРАДИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА................................................................. .93

4.1. Основы расчета заградительного устройства при статическом загружении................................................................... .93_

4.2. Постановка задачи планирования математического эксперимента

на персональных ЭВМ...................................................... .97_

4.3. Имитационный математический эксперимент и оценка его достоверности................................................................................................................................_Ю1_

4.4. Результаты имитационного математического моделирования

мягкого заградительного устройства...................................................................._ЮЗ_

4.5. Выводы по главе......................................................................................................................_106_

5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ, ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ, ЛОКАЛИЗАЦИИ И ЛИКВИДАЦИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

НА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДАХ........................... _110_

5.1. Рекомендации по созданию нормативных документов для обеспечения оперативного принятия решений при чрезвычайных ситуациях на нефтепроводах................................................ _110

5.2. Рекомендации по ликвидации последствий разлива нефти при

авариях на подводных переходах нефтепроводов .......................................114

5.3. Экологический ущерб в районе аварии на подводном переходе

нефтепровода ТОН-2........................................................ .116_

5.3.1. Количество растворенной нефти в воде р.Белая в районе аварии

на магистральном нефтепроводе «Туймазы - Омск - Новосибирск» (ТОН-2)........................................................................ .116_

5.3.2. Оценка массы нефти, адсорбированной льдом р Белая, на участке от места аварии нефтепровода ТОН-2 до боновых заграждений.................................................................................................................................117

5.3.3. Расчет количества нефти в донных отложениях.....................................119

5.4. Экономическая эффективность от применения МЗС при локализации последствий аварийных разливов нефти на реках...........................................121

5.5. Выводы по главе...........................................................................................................................122

*

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................123

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................................................134

1. Патентный анализ конструктивных разработок...............................135

2. Акт внедрения...................................................................................................................152_

ВВЕДЕНИЕ

Водные ресурсы, являющиеся одним из компонентов природной среды, вследствие несбалансированного соотношения темпов и масштабов их восстановления, испытывают количественное и качественное истощение [1-4].

Водные объекты наряду с антропогенной нагрузкой от хозяйственной деятельности периодически подвергаются значительным перегрузкам от загрязнений нефтепродуктами, растворенными токсичными веществами по причинам возникающих чрезвычайных ситуаций на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, транспорте (железнодорожном, автомобильном, речном), магистральных нефтепроводах и т.п.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что нефтяное загрязнение является одним из значимых факторов, влияющих на жизнь всего Мирового океана. Из-за нефтяных загрязнений изменяется жизнедеятельность флоры и фауны в районе разлива и может приостановиться в своем развитии на 5-6 и более лет [5-6].

Нарушение сбалансированности на водном объекте, вызванное повышением температуры водной среды, сопровождается увеличением чувствительности гидробионтов к действию токсикантов, снижает растворимость кислорода в воде, что негативно сказывается на протекающих гидрохимических процессах самоочищения.

Нефтяные пленки на поверхности воды способствуют нарушению обмена теплом, влагой, газами между водными объектами и окружающей атмосферой. Тончайшая молекулярная пленка на поверхности воды уменьшает испарение на 60% /4/, в результате чего усиливается нагрев водной поверхности, что приводит к снижению содержания кислорода в воде и как следствие - к многофункциональным негативным изменениям на водных объектах.

Отечественный опыт, в частности на территории Республики Башкортостан, показывает, что основными причинами нефтяного загрязнения являются:

- аварии и катастрофы нефтяных танкеров;

- утечки на технологическом этапе перекачки и перевозки нефти;

- утечки и аварии на магистральных нефтепроводах, нефтяных скважинах;

- утечки и сбросы стоков нефтебазами, нефтеперерабатывающими и нефтехимическими заводами, расположенными на водоохранных зонах водных объектов.

Используемые в настоящее время различные механические средства и организационные мероприятия в определенной степени решают задачу по снижению загрязнения водных объектов нефтью и нефтепродуктами. Однако опыт ликвидации чрезвычайных ситуаций, связанных с прорывами нефтепроводов на территории Республики Башкортостан показывает, что в отечественной практике отсутствуют конструктивные разработки,

позволяющие в короткие сроки производить локализацию загрязняющих веществ (нефти) на малых и средних реках в короткие сроки, которые чаще других природных объектов встречаются на трассах нефтепроводов.

Используемые в настоящее время различные конструктивные решения применительно к руслам рек малоэффективны и решают задачи по локализации и ликвидации нефтяных разливов.

Учитывая важность данной проблемы, имеется необходимость в разработке мобильных конструктивных решений, которые бы максимально учитывали гидравлические характеристики речного потока в летние и зимние периоды, а также условия локализации разливов нефтепродуктов на суше вблизи водных объектов.

В решении проблемы защиты водных объектов от загрязнения нефтью (нефтепродуктами) весьма важным элементом технологической схемы локализации и ликвидации аварийных выбросов нефти (нефтепродуктов) является решение задач, связанных с расчетами и прогнозом распространения нефти в речном русле.

Современный период развития водного хозяйства как в нашей стране, так и за рубежом, характеризуется использованием различных типов (руслорегулирующих, струена-правляющих, струераспределительных, водозаборных и т.п.) конструкций гидротехнических сооружений, которые условно разделяются на жесткие (бетонные, железобетонные, металлические), полужесткие (из грунтовых материалов, деревянные, каменные) и мягкие (с применением высокопрочных синтетических тканевых материалов, пленок, сеток), которые широко представлены в работах Б.И. Сергеева, В.А. Волосухина, В.Л. Бондаренко, Ю.М. Косиченко, Ю.С. Свистунова [7-45].

Отличительная особенность первых двух конструктивных направлений состоит в сочетании высокой прочности с большей жесткостью, что не позволяет иметь мобильную конструкцию небольшого веса и требует значительных ресурсных затрат при строительстве и эксплуатации, имеют низкую функциональную эффективность в процессах регулирования качества воды на водных объектах.

Наиболее экологически приемлемыми конструктивными решениями являются те, надежность которых обеспечивается главным образом за счет его формы, а не за счет прочности материала. Взаимодействие формы конструкции и выполняемые ею функциональные задачи являются главными исходными в механизме совершенствования конструктивных решений. Такому подходу в большей степени соответствует третье конструктивное направление. Использование тканевых материалов, где форма конструкции в наибольшей степени определяется всеми воздействующими на нее внешними факторами, представляется наиболее перспективным. Доказательством этому являются следующие факты:

- конструкции из тканевых материалов, в сравнении с конструкциями из традиционных (жестких, полужестких), отличаются легкостью, мобильностью, высокой предельной компактностью в сложенном виде, транспортабельностью, возводятся и демонтируются в короткие сроки;

-конструкции из тканевых материалов по мере необходимости делятся на отдельные модульные элементы, и могут заменятся, что принципиально изменяет подход к решению задачи по обеспечению надежности, а именно недолговечностью отдельных элементов и, соответственно, конструкции, а возможностью периодического обновления;

- конструкции из тканевых материалов имеют невысокий уровень ресурсоемкости, что обеспечивает более высокий уровень их совместимости с окружающей средой и развитием технического прогресса;

- конструкции из тканевых материалов позволяют широко использовать природные принципы в решении инженерных проблем, в частности, задач по защите водных объектов от катастрофических загрязнений при чрезвычайных ситуациях.

Исходя из основных принципов охраны водных объектов, создание новых конструктивных решений должно отвечать двум условиям: создаваемые конструктивные решения должны выполнять заданные функциональные задачи и оказывать наименьшее воздействие на окружающую среду. Учитывая эти обстоятельства, при решении задач по созданию новых конструктивных решений технологических схем локализации и ликвидации аварийного разлива нефти в качестве основного конструкционного материала нами были приняты синтетические тканевые материалы.

Разработка эффективных средств расчета и прогнозирования распространения загрязняющего вещества (нефти) в русле реки является важной задачей оперативного управления в условиях возникновения чрезвычайной ситуации, связанной с аварийным выбросом нефти на подводных переходах магистральных нефтепроводов.

Главной целью диссертации является разработка экологически приемлемых новых конструктивных решений механических заградительных средств (МЗС), теоретическое и экспериментальное обоснование их параметров, применительно к технологическим схемам локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на магистральных нефтепроводах, разработка методики их расчета при статическом загружении..

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- анализ современного состояния изученности вопроса по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на магистральных нефтепроводах с разработкой базовых конструктивных решений;

- натурные исследования аварии на подводном переходе нефтепровода ТОН-2 через реку Белую г. Уфы;

- экспериментальное обоснование параметров и режимов работы базовых механических заградительных средств;

- разработка методики расчета механических заградительных средств при статическом загружении, планирование математического эксперимента на ПЭВМ, имитационное математическое моделирование взаимодействия механического заградительного устройства с водным потоком;

- разработка технологических схем локализации и ликвидации аварийного разлива нефти из нефтепроводов;

- разработка предложений по созданию нормативных документов, технических средств, материалов и организационных мероприятий по снижению уровня загрязнения водного объекта при аварии на нефтепроводах.

Предметом исследования являются : создание экологически приемлемых новых конструктивных решений механических заградительных средств, разработка методики расчета при статическом загружении, обоснование их параметров в составе технологических схем защиты водных объектов от загрязняющих веществ, поступающих при чрезвычайных ситуациях на нефтепроводах.

Объектом исследования являются нефтепроводы, расположенные на территории Республики Башкортостан.

Теоретической и методологической основой исследования является материалистическая концепция о взаимодействии живой и неживой материи и ее творческое развитие в трудах отечественных и зарубежных ученых в области охраны окружающей среды.

В основу исследований были положены:

- натурные исследования аварийной ситуации на подводном переходе магистрального нефтепровода Туймазы- Омск- Новосибирск-2 (ТОН-2) через р. Белую в районе г.Уфы; .

- задача по разработке методики расчетного заградительного устройства при статическом загружении;

- при проведении численных экспериментов на имитационной математической модели использовалась теория планирования экспериментов. Проверка математической модели МЗС производилась на результатах лабораторных гидравлических исследований;

- изучение гидравлических процессов взаимодействия механического заградительного средства с водным потоком для определения гидравлических, геометрических и функциональных параметров;

- экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на плоской гидравлической установке с моделями механических заградительных средств.

На защиту выносятся:

- новые конструкции механических заградительных средств с использованием синтетических тканевых материалов;

- теоретическое и экспериментальное обоснование геометрических, гидравлических и физико-механических параметров заградительных механических средств в составе технологических схем локализации аварийного разлива нефти из магистральных нефтепроводов;

- комплекс организационных мероприятий и нормативных рекомендаций по снижению уровня загрязнения водного объекта при аварии на нефтепроводе.

Научная новизна. Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров базовых механических заградительных средств для водных объектов. Методика расчета механических заградительных средств при статическом их загружении. Математическая модель взаимодействия механического заградительного средства с водным потоком, технологические схемы по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти на водных объектах с использованием базовых конструкций механических заградительных средств.

Практическая значимость. Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров мобильных заградительных механических средств позволяет использовать разработанные конструктивные решения в технологических схемах локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на водных объектах, водосбо�