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

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.

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).

Występujące uszkodzenie/ 1000 km-rok Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 1A A. Częstość awarii rurociągów benzyny o grubości ścianki od 0 do 5 mm Przyczyny awarii Występujące uszkodzenie/ 1000 km-rok Procent Przeciek Otwór Pęknięcie Całość Uszkodzenie mechaniczne 0,07 0,056 0,017 0,143 19,4 Błędy operacyjne 0,023 0,018 0,006 0,047 6,4 Korozja 0,042 0,033 0,01 0,085 11,5 Zagrożenia naturalne 0,005 0,002 0,013 1,8 Wpływ zewnętrzny 0,218 0,173 0,054 0,445 60,9 RAZEM 0,359 0,285 0,089 0,773 100 % 49 39 12 ---

Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 1B B. Częstość awarii rurociągów benzyny o grubości ścianki od 5 do 10 mm Przyczyny awarii Występujące uszkodzenie/ 1000 km-rok Procent Przeciek Otwór Pęknięcie Całość Uszkodzenie mechaniczne 0,07 0,056 0,017 0,143 34,2 Błędy operacyjne 0,023 0,018 0,006 0,047 11,2 Korozja 0,042 0,033 0,01 0,085 20,2 Zagrożenia naturalne 0,005 0,002 0,013 3,1 Wpływ zewnętrzny 0,064 0,051 0,016 0,132 31,3 RAZEM 0,206 0,164 0,42 100 % 49 39 12 ---

Występujące uszkodzenie/ 1000 km-rok Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 1C C. Częstość awarii rurociągów benzyny o grubości ścianki od 10 do 15 mm Przyczyny awarii Występujące uszkodzenie/ 1000 km-rok Procent Przeciek Otwór Pęknięcie Całość Uszkodzenie mechaniczne 0,07 0,056 0,017 0,143 45,9 Błędy operacyjne 0,023 0,018 0,006 0,047 16,4 Korozja 0,042 0,033 0,01 0,085 29,5 Zagrożenia naturalne 0,005 0,002 0,013 3,3 Wpływ zewnętrzny 0,007 0,015 4,9 RAZEM 0,148 0,118 0,037 0, 303 100 % 49 39 12 ---

Częstość awarii rurociągów przesyłowych ciekłych substancji ropochodnych Tabela 2 Częstości awarii w zależności od głębokości posadowienia rurociągu Przyczyny awarii Głębokość posadowienia rurociągu 0,9m 1,5m 2m 3m Uszkodzenie mechaniczne 0,143 Błędy operacyjne 0,047 Korozja 0,085 Zagrożenia naturalne 0,013 Wpływ zewnętrzny 0,132 0,099 0,066 0,0013 RAZEM 0,42 0,387 0,354 0,289

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

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

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.

W przypadku pożarów i wybuchów należy rozpatrzyć trzy możliwości: 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.

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.

Przykładowe wyniki obliczeń pożarów Tabela 2. Pożar rozlewiska benzyny – opóźniony zapłon Wielkość otworu Typ gleby Prędkość wypływu (kg/s) Wielkość rozlewiska (m) Długość płomienia (m) Promień strefy o natężeniu 10kw/m2 (m) 406mm Średnia Glina 205 100 78 126 324mm 164 219mm 85 70 110 168mm 30 46 45 65 10mm 53 19 73 25 63 96

Przykładowe wyniki obliczeń pożarów Tabela 3. Pożar rozlewiska benzyny – natychmiastowy zapłon Wielkość otworu Prędkość wypływu (kg/s) Maksymalna wielkość rozlewiska (m) Długość płomienia (m) Promień strefy o natężeniu 10kw/m2 (m) 406mm 205 68,9 60 91,2 324mm 164 62 56 83 219mm 100 48 47 67 168mm 30 26 31 40 10mm 5,3 11 17 19

Przykładowe wyniki obliczeń pożarów Tabela 4. Prawdopodobieństwo występowania źródeł zapłonu Rodzaj zapłonu Poza miastem/ Tereny miejskie Pęknięcie Przeciek – duży otwór Przeciek – mały otwór Natychmiastowy 1.55% / 3.1% 0.31% / 0.62% Opóźniony Razem 3.1% / 6.2% 0.62% / 1.24%

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.

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

Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych Drzewo zdarzeń dla wycieków (obszary wiejskie)

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

Prawdopodobieństwa scenariuszy awaryjnych Drzewo zdarzeń dla wycieków (obszary miejskie)

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.

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.

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.

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).

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 potencjału składowych powodującego migrację cząstek.

Rozprzestrzenianie się skażeń NAPL w glebach podpowierzchniowych spowodowane uwolnieniem powierzchniowym.

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.