(9)

где - коэффициент светового излучения;

Q-количество тепла, выделяемого пламенем, МДж/г;

l- расстояние от центра пламени, при котором интенсивность теплоизлучения снижается до безопасной величины: q = 5 МДж/(м2*ч).

Коэффициент излучения выражается эмпирическим уравнением:

(10)

где QH - низшая теплота сгорания факельного газа, МДж/м3.

(11)

где M - молекулярная масса газа.

Для газовых смесей:

(12)

где Ni - мольная доля компонента в смеси;

Qi - низшая теплота сгорания компонента.

Количество тепла выделяемого пламенем:

(13)

где VФГ - расход факельного (сбросного) газа, м3/ч.

Максимальную интенсивность теплоизлучения определяем по формуле:

(14)

где l1 - расстояние от центра пламени до основания факельной трубы, м, равное

, (15)

где H - высота факельной трубы, м.

Подставим формулу (15) в (14) и решим относительно H:

(16)

Высота факельной трубы должна обеспечить безопасность радиационно-теплового воздействия на персонал. Максимальная величина qM, которую может выдержать человек в течение некоторого времени, составляет 17 МДж/(м2·ч). Подставив эту величину в (16) получим:

(17)

Высоту факельной трубы рекомендуется принимать не менее 35 d.

Представляет интерес рассчитать расстояние от основания факельной трубы до безопасной зоны, которую можно вычислить как длину катета l2 в прямоугольном треугольнике:

или (18)

Эта зависимость справедлива для случая, когда сброс газа производится в неподвижную атмосферу.

При ветре пламя будет отклонено под углом к оси трубы. Площадь у основания трубы, на которой интенсивность излучения будет выше допустимого предела, имеет форму эллипса. Поэтому расстояние от факельной трубы до безопасной зоны увеличивается. Как следует из рис.:

(19)

где UB - скорость ветра, м/с;

U - скорость сброса газов, м/с;

- угол наклона пламени.

. (20)

По данным Деткова и др. в нашей стране не проводились экспериментальные исследования на промышленных факелах с целью определения интенсивности теплоизлучения, мощности тепловыделения, полноты сгорания газа (флюида), уровня шума, длины и отклонения пламени в зависимости от направления ветра и других параметров.

Обширный экспериментальный материал собран американскими исследователями: факельные трубы газо- и нефтеперерабатывающих заводов, d= 390 мм, Н= 22,9 м.

В частности, относительно шума при факельном сжигании газа.

8.2.4 ШУМ ПРИ ФАКЕЛЬНОМ СЖИГАНИИ ГАЗА

Шум возникает при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах. Механические колебания в диапазоне частот 20-20000 Гц воспринимаются ухом человека как звук. После 6-7 ч работы при интенсивности шума 80-90 дБ нарушаются функции вегетативной нервной системы и деятельность головного мозга.

Находясь в постоянном взаимодействии с природой, человек все острее ощущает необходимость налаживания таких взаимосвязей с окружающей средой, при которых был бы обеспечен устойчивый экологический компромисс, не нарушающий естественного природного баланса и эволюционного развития планеты. На этом пути человечество имеет огромные неиспользованные резервы.

Такой разумный устойчивый компромисс должен быть найден во «взаимоотношениях» систем трубопроводного транспорта газа, нефти, нефтепродуктов с природной средой. Ни одно инженерное сооружение не связано так тесно с окружающей природой как трубопроводные системы. Это объясняется обширной географией трубопроводного транспорта, огромной протяженностью газопроводов и нефтепроводов, которые пересекли все природно-климатические пояса, подземным расположением линейной части, а также размещением насосных и компрессорных станций в самых разных природных условиях, сообразуясь с гидравлическим расчетом трубопроводов.

Трубопроводные системы уже сейчас накрывают 35% территории, на которой проживает 60% населения страны. На всей этой территории рассредоточены искусственно созданные сооружения, которые находятся в сложном взаимодействии с окружающей средой. Как правило, взаимовлияние трубопроводных комплексов и природной среды носит негативный характер. Отсюда и основная задача, с одной стороны, свести к минимуму техногенные воздействия в период строительства и эксплуатации трубопроводов, с другой -- ослабить отрицательное влияние природных компонентов на их надежность и безопасность.

Трубопроводные системы России обладают мощным энергетическим потенциалом. Уникальная газотранспортная система имеет протяженность 150 тыс. км, в том числе трубопроводы диаметром 1220-1420 мм составляют 60%. На газопроводах работают 249 компрессорных станций общей мощностью 40,2 млн кВт. Годовая производительность единой системы газоснабжения (ЕСГ) страны измеряется в 600 млрд м3. Помимо внутренних потребителей газ поставляется в 25 зарубежных стран.

Трубопроводная сеть АК «Транснефть» самая крупная нефтепроводная система в мире. Она имеет протяженность 46,8 тыс. км со средним диаметром 860 мм. Средняя дальность трубопроводной поставки нефти -- 2000 км. На магистральных нефтепроводах работает 395 насосных станций (НС), резервуарные парки насчитывают 898 резервуаров общей вместимостью 13,1 млн м3.

Трубопроводный транспорт -- самый экологически чистый вид транспорта углеводородов, но при условии проектирования, строительства и эксплуатации газопроводов и нефтепроводов на современном технологическом и техническом уровне с соблюдением жесткой экологической дисциплины.

В последние годы наметился серьезный поворот в сторону осмысления, изучения и принятия конкретных программ, направленных на защиту природных массивов, целых территорий от различных техногенных воздействий при строительстве и эксплуатации трубопроводов, формирующих потенциальные уровни антропогенного изменения биогеоценозов регио нального ландшафта. Создаются отраслевые системы производственного экологического мониторинга. Это продиктовано, с одной сто роны, ужесточением природоохранного законодательства с механизмом платного природопользования, основанного на присоединении к Монреальской, Рио-де-Жанейровской и другим экологическим конвенциям ООН устойчивого развития. С другой -- появилось понимание того, что человечество очутилось на грани экологической катастрофы и более нельзя приближаться просчетами к этой грани. Как пример такой глубокой осознанности можно привести создание целого ряда общественных экологических организаций, в их числе Российской экологической академии, неправительственного фонда Вернадского и многих других.

В России появилась серьезная экологическая наука и, что отрадно, инженерная экология, которая вооружает конкретными знаниями специалистов, работающих практически во всех сферах народного хозяйства, включая нефтегазовый комплекс.

Исключительно важное значение приобретает задача оптимизации структурно-рациональных ограничений на процессы строительства и эксплуатации с точки зрения минимального воздействия на природный ландшафт, в первую очередь на особо охраняемых территориях. К таким территориям, как известно, относятся субарктические районы Западной Сибири и Европейской части страны, где расположены основные месторождения природного газа и нефти и откуда берут свое начало мощные трубопроводные системы.

Именно в эти районы переместился «центр тяжести экологических проблем», в том числе и трубопроводного транспорта. И это несмотря на, казалось бы, незначительную освоенность территории западно-сибирского нефтегазового комплекса, которая в центральной зоне составляет около 2%, а на севере -- менее 1 % территории. Не считая геологоразведки, нефтегазовый комплекс осваивает 11 тыс.км3 северных территорий.

Археологические исследования показывают, что российский Север был заселен несколько тысяч лет тому назад, то есть значительно раньше, чем образовались первые славянские государства. Поэтому биологическая цивилизация (культура, традиции, жизненный уклад, промыслы и др.) имеет более глубокие корни, чем у любого из европейских народов. Поэтому речь идет не только об охране хрупкой природы Севера, но и о значительно большем, о защите биологической цивилизации, земель и народов этого региона.

Все малочисленные народности Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока, насчитывающие 180 тыс. человек, неуклонно приближаются к опасной черте -- полной ассимиляции.

Возведение и эксплуатация нефтегазового комплекса вызывает негативные геоэкологические последствия как при аварийных, так и при штатных ситуациях. Область с постоянно нарушенным почвенно-растительным покровом составляет до 5-7%, а области с импульсным (одноразовым) нарушением покрова -- до 50% площадей, вовлеченных в освоение. Зона сплошного уничтожения растительного покрова, где применяется планировка трасс трубопроводов, составляет 15% всей площади освоения.

Наибольшее нарушение земельного ландшафта наблюдается вдоль северных магистральных трубопроводов, проложенных в неустойчивых грунтах.

Исследования, выполненные на газопроводах общей протяженности 15 тыс. км, позволили установить, что на северных трассах в начальный период эксплуатации (3-4 года) происходят интенсивные процессы обводнения, заболачивания, приводящие к разрушению обвалования и всплытию трубопровода. Относительная стабилизация природных условий вокруг газопровода с зарастанием растительностью трассы составляет 7-8 лет, правда, как правило, самозарастание идет по механизму замещения, а не восстановления, что создает иллюзию некоторого осушения и благополучия на трассе. Но полная реабилитация природных процессов вдоль северных магистральных газопроводов наступает только по прошествии 15-16 лет.

Хрупкость природы северных регионов общеизвестна. Этому способствует широкое распространение вечной мерзлоты, сильная заболоченность и заводненность территории, весьма тонкий мохорастительный покров, замедленное протекание биохимических процессов из-за долгой полярной зимы и другие факторы.

При нарушении растительного покрова, служащего теплоизоляцией, мерзлый грунт обнажается и активизируются термоэрозионные явления, нарушается гидрогеологический режим, деградирует ландшафт Стабилизация геокриологической и гидрогеологической обстановки наступает через длительное время, порой через 10 и более лет, возникает реальная опасность для устойчивости трубопроводов. Территория при этом выводится из сельскохозяйственной эксплуатации на долгий срок.

Для восстановления нарушенных территорий в зонах вечной мерзлоты успешно используется технология технической рекультивации, а также технология инженерно-биологической стабилизации, которые позволяют остановить процессы деградации тундровых земель. Первый успешный эксперимент частичного восстановления был осуществлен на Ямбургском газоконденсатном месторождении. Впервые было показано, что не так уж безнадежны процессы восстановления тундры.

Строители в прошлые годы рекультивировали и сдавали землепользователям почти 7 тыс. га в год.

Главная задача проектировщиков, строителей и эксплуатационников -- построить и эксплуатировать экологически безопасные трубопроводы. В соблюдении строгого экологического режима важную роль играют нормативы и проектные решения. К сожалению ни то, ни другое не вызывают пока чувства удовлетворения. Например, нормы отвода земель под строительство трубопроводов не пересматривались с 1973 года. Строительные организации, для того чтобы доказать свое преимущество и выиграть тендер, предлагают новые технологии производства земляных работ и рекультивации с использованием скреперов, что позволяет сократить строительную полосу почти вдвое, но нормы пока действуют старые.

Недостаточные изыскания, усеченные сметы -- все это не способствуют экологической подготовке строительства. Для технического исполнения всех требований к защите окружающей среды на Трансаляскинском нефтепроводе понадобилось 2 млрд долл., из которых 200 млн долл. было израсходовано на стадии проектирования. Стоимость природоохранных мероприятий составляла около 15 % от общей стоимости трубопровода. Возникает сложное механическое и тепловое взаимодействие собственно трубопроводов с геологической и гидрогеологической средой на многолетнемерзлых грунтах и заболоченных территориях. В процессе строительства и эксплуатации трубопроводов происходит их «вживание» в естественную природную среду. Часто это осуществляется с нарушением динамического равновесия, сопровождающегося активацией опасных природных процессов, негативным влиянием на техническое состояние трубопроводов, приводящим нередко к аварийным ситуациям. К подобным «реакциям отторжения» природной средой техногенного воздействия относятся: пучение и просадка промерзающих, протаивающих грунтов, выпучивание (всплывание) участков трубопроводов, активация деструктурных мерзлотных процессов (термокарст, солифлюкция, морозобойные трещины, бугры пучения и др.), эрозионных, оползневых процессов и процессов обводнения и заболачивания трасс трубопроводов. Различают сезонное и многолетнее пучение, хотя физико-механические процессы, их вызывающие, и последствия имеют одинаковый характер. При промерзании происходит увеличение грунта в объеме, что вызывает подъем земной поверхности с последующей просадкой при протаивании. Процессы криогенного пучения опасны для трубопровода прежде всего неравномерностью проявления по трассе, изменчивостью, связанной с закономерностью климата, почвенно-растительным покровом, ландшафтными особенностями, генезисом, минералогическими составом и строением промерзающих пород.

Неравномерность деформации поверхности и ее абсолютная величина изменяется в широком диапазоне в зависимости от мощности слоя промерзания и влажности грунтов и достигает 40-50 см, что создает большие дополнительные нагрузки на трубопровод.

Институтом ВНИИГаз разработана методика определения напряженно деформированного состояния и несущей способности трубопровода при пучении грунтов. Предложены технологические и конструктивные решения по снижению нагрузок от пучения на подземные трубопроводы.

Деформация грунта при его многолетнем промерзании значительно превышает деформацию при сезонном пучении из-за протекания процесса в условиях «открытой системы» т.е. с возможностью миграции влаги к фронту промерзания. Поэтому в первые годы эксплуатации аварии наблюдались чаще, так как многолетнее пучение грунтов происходит наиболее интенсивно в начальной период их промерзания.

В теплое время года в процессе протаивания пород идет их осадка, сопровождающаяся деформациями усадки.

На севере Западной Сибири в первые три-пять лет эксплуатации «горячих» газопроводов на многолетней мерзлоте формируются ореолы оттаивания, достигающие в глубину 10 м. Их образование, как правило, сопровождается просадкой поверхности грунта над трубопроводом, а иногда и вдоль целого технического коридора. Создаются благоприятные условия для внутригрунтового стока вдоль газопровода. Вода же, как известно, хороший природный теплоноситель и теплоаккумулятор, оказывает значительное отепляющее действие на мерзлые породы, обусловливает на отдельных участках затопление значительных площадей коридоров трубопроводов и способствует потере их продольной устойчивости. Чередующиеся процессы сезонного пучения и сезонной осадки грунтов в результате воздействия кристаллизационного давления, достигающего 220 МПа при каждом цикле промерзания, вызывает выпучивание.

К числу природных сложностей, накладывающих серьезные ограничения на выполнение строительных работ в этом регионе, и относятся особая ранимость природной среды, ее слабая способность к восстановлению. Поэтому прокладка трубопроводов в этом регионе практически возможна только в зимнее время. Потеря продольной устойчивости трубопроводов в отдельных случаях с выходом (всплыванием) их на поверхность, образованием арок и гофров, как правило, происходит в грунтах с низкой несущей способностью, сильно обводненных и торфяных. Многолетнемерзлые грунты после перехода в талое состояние также многократно снижают свои несущие свойства.

Провоцирует потерю продольной устойчивости газопроводов разница температур их укладки в зимний период и летней эксплуатации, которая достигает 80°С и более. В результате возникают огромные осевые усилия, выталкивающие даже на самых пологих выпуклых участках трубопровод на поверхность. Так, на газопроводах диаметром 1420 мм осевое усилие достигает 1,5 тыс. т.

Для погашения плавучести газопроводов и интенсивных деформаций от продольного сжатия балластировка на газопроводах диаметром 1420 мм достигает от 2 до 4 тыс. т на 1 км. И все равно, в отдельных случаях пригрузы неспособны удержать газопровод в проектном положении.

О масштабах этого явления можно судить по данным Главтюменгазпрома. Весной 1988 г. из 24 тыс.км действующих газопроводов со средней продолжительностью эксплуатации 12 лет было отмечено всплытие участков общей протяженностью около 2 тыс. км (более 8%). За 1981-1987 гг. на действующих газопроводах было устранено 52 арки, которые образовались вследствие потери газопроводами продольной устойчивости. В последнее время выход на поверхность участков газопроводов заметно сократился, а эксплуатационники научились более квалифицированно ликвидировать последствия такого явления.

Одно из радикальных решений обеспечения продольной устойчивости -- искусственное снижение температуры транспортируемого газа.

Однако установки искусственного охлаждения газа на Уренгойском, Ямбургском промыслах были построены после того, как в течение многих лет на участках, проложенных на территории распространения постоянномерзлых пород, подавался теплый газ. Переход на подачу холодного газа по таким магистралям таит много сложностей. Реставрация вечной мерзлоты в ореолах протаивания неизбежно будет сопровождаться защемлением труб, неравномерным пучением на границах контакта грунтов, имеющих различную величину абсолютного пучения.

Поэтому перед сменой температурного режима газопроводов необходим прогноз его взаимодействия с грунтовым массивом.

В зоне газопровода Соленинское-Мессояха-Норильск в зимнее время имеет место растрескивание грунта с образованием морозобойных блоков размером примерно 1,5х1,5 м. Это явление вызывает дополнительные напряжения в трубопроводе и в сочетании с другими нагрузками может приводить к авариям. Такие разрушения имели место на высокой пойме Енисея.

Еще большие трудности для прокладки трубопроводов представляют морозобойные трещины, постепенное развитие которых связано с сезонным заполнением водой в летний период и замерзанием с наступлением холодов. В таких условиях трещины раздвигаются и идет их углубление. Ледяные жилы имеют глубину до 12м, а ширина их достигает 2 м, регионально-жильные образования разбивают поверхность с интервалами 6-10 м. Осевые растягивающие усилия в трубопроводе могут вызвать большие дополнительные напряжения и его разрушение. Трассу трубопровода, как правило, выбирают с обходом районов, склонных к морозо-бойному растрескиванию.

Среди особо неблагоприятных условий прохождения трассы трубопровода -- ее встреча с закарстованной территорией. Например, в Пермской области 6 ниток газопроводов проходят по Кунгурско-Иренскому карстовому району. Карстологическая съемка показала, что половина воронок по трассе, ранее засыпанных, проседают на глубину 0,8-3,0 м. Такие просадки под трубой с ее обнажением приводят к большому прогибу.

Тензометрические исследования, выполненные предприятием «Пермтрансгаз» показали, что при значительных пролетах трубопровода над карстовым провалом его ось изгибается и растягивается. При определенном уровне деформации трубопровод разрушается, как это случилось на одной из ниток упомянутой системы газопроводов.

Газотранспортная система России отличается беспрецедентной в мировой практике кон- центрацией энергетических трубопроводных мощностей. Многониточные газопроводы объединены в технические коридоры. От газовых месторождений северных районов Тюменской области действует уникальная газотранспортная система из 20 трубопроводов 1220-1420 мм, к которой вскоре присоединятся еще две магистрали диаметром 1420 мм СРТО-Торжок и СРТО-Черноземье, а потом и газопроводы Ямал-Европа. По техническим коридорам транспортируется до 250 млрд м3 в год, а на отдельных участках суммарная производительность достигает 340 млрд м3 в год.

Естественно, такая концентрация создает зону высокого риска. Но, пожалуй, наибольший риск представляют пересечения технических газовых коридоров с другими коридорами или трубопроводами другого назначения. К надежности и безопасности таких узлов предъявляются особые требования. Модель оценки риска на пересечениях должна учитывать возможность проявления при авариях «эффекта домино», выводящего из строя пересекающиеся нитки.

Самый чувствительный экологический урон приносят аварии на трубопроводах. При разрушении газопровода и мгновенном высвобождении энергии газа возникают механические повреждения природного ландшафта и рельефа, нарушение целостности почвенно-растительного покрова. Примерно половина аварий сопровождается возгоранием газа. Поэтому механическое и бризантное воздействие усугубляется тепловой радиацией. Радиус термического влияния определяет зону полного поражения окружающего растительного покрова в очаге отказа, имеется зона трансформации ландшафтов, буферная зона при механических повреждениях.