На современном этапе развития трубопроводного транспорта (ТТ) жидких углеводородов актуальными остаются вопросы, связанные не только с инновационными технологиями и методиками транспортировки и хранения нефти /нефтепродуктов (ТХН/Н), но и вопросы, позволяющие соблюдать правила промышленной безопасности опасных производственных объектов в соответствии с последними требованиями нормативно технической и методической документации [7-12]. И, как следствие, немаловажное значение приобретает комплекс различных мероприятий, направленных на минимизацию возникновения и развития дополнительных рисков в случае чрезвычайной ситуации на транспортирующем предприятии.
Проведенный литературный обзор показал, что, несмотря на значительное количество исследований в области ТХН/Н, а именно, разработку новых и совершенствование существующих технологий сооружения и эксплуатации объектов ТТ, в том числе и с помощью методов математического моделирования (обеспечение надежности и долговечности объектов эксплуатации), избежать опасности возникновения аварийных ситуаций, инцидентов или другого уровня техногенных событий [7, 8], не удается, о чем свидетельствуют данные [12].
Следует отметить, что наиболее повышенную опасность представляют объекты ТТ, расположенные вблизи различных населенных пунктов и/или, непосредственно, пересекающие водные преграды. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, даже незначительные повреждения трубопроводов и оборудования могут привести к потере ценного сырья (негерметичность конструкций, коррозионные разрушения, наезды тяжелой техники, несанкционированные врезок, нарушения режимов эксплуатации, форс-мажорные обстоятельства [5]). С другой стороны, с учетом опасных и вредных свойств нефти/ нефтепродуктов (далее нефтяных углеводородов (НУВ)), время, затрачиваемое на ликвидацию последствий таких разрушений, может существенно повлиять на жизнь и здоровье населения и привести к нарушению экологического баланса территорий в области лицензионной деятельности эксплуатирующих организаций [1, 7-8]. Поэтому все работы направленные на поиск решений, позволяющих минимизировать последствия техногенных событий в случае их возникновения, являются актуальными.
Исходя из изложенного выше, целью работы является: разработка устройства комбинированного типа для удаления НУВ с водной поверхности с сочетанием методов очистки.
Для реализации поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1) охарактеризовать особенности разливов НУВ на водной поверхности и выделить основные признаки методов их ликвидации, влияющие на выбор оборудования для удаления жидких углеводородов и затрачиваемое время;
2) провести литературный анализ современных патентных разработок по устройствам для сбора НУВ с водной поверхности с определением основных недостатков, которые следует устранить при сочетании методов очистки в новой модели устройства комбинированного типа;
3) представить основные характеристики, принцип действия и достоинства модели устройства комбинированного типа для удаления НУВ с водной поверхности.
Теория
Современные исследования, посвященные изучению свойств водо-нефтяных эмульсий, которые образуются в результате попадания НУВ на поверхность естественных водоемов пресных и морских вод в результате аварийных разрушений трубопроводов и оборудования нефтетранспортных организаций, свидетельствуют, что для распределения НУВ на любой водной поверхности характерно одновременное протекание различных физико-химических и биологических процессов. К таким процессам [2,6] относят процессы эмульгирования, растворения, окисления, образования агрегатов, седиментацию (когда частицы дисперсной фазы (НУВ) оседают в дисперсионной среде (воде) под действием гравитационных сил) испарение и биодеградацию. Их характерной особенностью является то, что они, в соответствии с [21-24], объединяются в три следующие друг за другом этапа (гравитационно-инерционный, для которого характерны процессы образования пятна и начальное фракционное разделение НУВ; гравитационно-вязкостный, когда поведение дисперсной фазы в дисперсионной среде определяется влиянием внешних гидрологических и метеорологических характеристик; дисперсионно-пленочный, когда силы поверхностного натяжения между фазами и силы вязкости влияют на высоту слоя пятна НУВ и начинается его биологическая и биохимической трансформацией), что указывает на сложный характер взаимодействия разных фаз, специфику процессов фазовых переходов и определяет стойкость водо-нефтяных эмульсий к внешним воздействиям.
Кроме того, распределение пятна НУВ на водной поверхности и его нестационарность зависит не только от поведения дисперсной фазы в дисперсионной среде и реологических свойств НУВ, но и термобарических, метеорологических условий, скорости течения и характера возникающих волн. Все это определяет условия прогнозирования траектории движения разливов [17], выбор места, технических средств и оборудования для проведения ликвидационных мероприятий по очистке водной поверхности от загрязнения наиболее эффективным методом в соответствии с реальными условиями развития того или иного уровня техногенного события (классификация [4]), на текущий период времени.
Проведенный литературный анализ [10-12, 19, 21-23] позволил распределить методы ликвидации аварийного разлива нефти (ЛАРН) с водной поверхности на 4 основные группы, каждая из которых имеет характерные признаки, обусловленные применяемыми методами и оборудованием: механический сбор нефти, химическое сорбирование или диспергирование, микробиологический метод и метод контролируемого сжигания.
Необходимо отметить, что указанным группам методов соответствуют индивидуальные временные периоды проведения мероприятий ЛАРН и объем привлекаемого финансирования. Кроме того, следует указать на их ограничение в универсальности с точки зрения сочетания друг с другом. Поэтому для минимизации вредного воздействия на окружающую среду требуется их комбинирование, и, как следствие, увеличивается затрачиваемое Предприятием на ликвидацию общее время, возрастает объем привлекаемых технических устройств и количество обслуживающего персонала, что, в конечном итоге, определяет их основные недостатки.
Проведен обзор патентов полезных моделей и устройств. В процессе обзора все существующие установки и машины были разделены на группы по количеству выполняемых функций в одном цикле работы устройства и принципам действия их очистных механизмов, работа которых основана на применении конкретного метода ЛАРН. Для каждой группы выявлены основные достоинства и недостатки:
1. Автономные нефтесборщики (скиммеры), предназначенные для удаления и сбора нефтешлама при помощи вращающихся олеофильных дисков, барабанов или лент. Данный тип установок, в соответствии с данными [3], с одной стороны, имеет простую конструкцию, обеспечивающую понятное управление и быстрый ремонт, с другой стороны, требуют большое количество вспомогательных операций, связанных с обслуживанием и дополнительной очисткой остаточного загрязнения, что указывает на их основной недостаток [15,16].
2. Распылители-аэраторы, предназначенные для равномерного распределения сорбентов и биопрепаратов на нефтезагрязненный участок акватории. Данный тип устройств не рационально использовать при большой толщине первичной пленки разлива, а также при применении сорбента в качестве распыляемого материала, необходимо предусматривать сбор отработанного сорбтива с привлечением дополнительных устройств и персонала. [12,14].
3. Устройства комбинированного типа [13], работа которых представляет комбинацию, в основном, двух методов очистки загрязнения водной поверхности, частично реализуют недостатки вышеописанных устройств, но не способны выполнить полный цикл ЛАРН.
Проведенные патентный обзор показал, что разработка новых технических средств комбинированного типа для ЛАРН на водной поверхности остается актуальной, и, предлагаемые решения имеют существенные недостатки, которые определяют габариты устройств, их маневренность и время проведения технологической операции.
Исходя из вышеизложенного можно предположить, что рациональным решением указанной проблемы является совместное использование механического сбора основного объема нефтепродукта и сорбционного метода очистки остаточного загрязнения НУВ, с дальнейшей возможностью сбора отработанного материала с очищаемой поверхности.
Результаты и обсуждение
Решением указанной проблемы может быть техническое устройство, представляющее собой комплект технологических блоков, предназначенных для выполнения операций по сбору основного разлива НУВ, распылению сорбента (для устранения остаточного загрязнения) и удалению отработанного сорбента с сорбтивом с очищаемой водной поверхности.
Технико-функциональная модель комбинированного устройства представлена на рисунке 1.
Работа комбинированного устройства основана на взаимодействии трех основных модулей:
- модуль сбора нефтепродуктов, представляющий собой заборное устройство барабанного типа (состоящего из набора тареловидных насадок с олеофильным покрытием), используемого для сбора основного объема разлива, и емкости для первичного сбора нефтешлама;
- модуль распыления сорбента – система, представляющая собой совокупность магистралей высокого давления (по которым происходит перемещение сорбента), распылительных насадок, нагнетательного насоса и емкости для хранения сорбента. Данный модуль используется для очистки остаточной трудноизвлекаемой нефтяной пленки;
- модуль управления (компрессорная установка), который включает компрессорную установку (осуществляет подачу сжатого воздуха в рабочие модули), электрогенератор, пульт управления и систему емкостей-шламонакопителей. Данный модуль устанавливается на берегу водоема, либо на судне.
При установке дополнительных насадок на заборное устройство возможно производить сбор отработанного сорбента с сорбтивом. При использовании нескольких установок комбинированного типа в мероприятиях ЛАРН, увеличивается количество удаленных с поверхности воды НУВ и качество очистки. Поэтому предложенный вариант комбинированного устройства исключает необходимость использования дополнительных операций по сбору отработанного сорбента с сорбтивом и вспомогательного оборудования, что, в свою очередь, значительно сокращает время на выполнение полного цикла задач и уменьшает негативное воздействие НУВ на окружающую среду.
На основе проведенных литературного анализа и патентного обзора, установлено, что для обеспечения быстрой и качественной очистки водной поверхности от загрязнения НУВ требуется совместное использование существующих методик и разработка новых технических устройств комбинированного типа, позволяющих решить широкий спектр задач в процессах очистки водоемов от загрязнений НУВ. Предложена модель комбинированного устройства, которое позволит за счет совместного использования механического метода, сорбционной очистки остаточного загрязнения, а также последующего сбора отработанного сорбента с сорбтивом значительно сократить время проведения ликвидационных мероприятий, снизить трудоемкость процесса, упростить оперативное управление и уменьшить негативное влияние аварийного разлива нефти на окружающую среду.
Литература
1. Ликвидация аварийных разливов нефти в ледовых морях / Под общ. ред. М.Н. Мансурова. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. – 423 с.
2. А. В. Сальников. Особенности распространения нефтяного разлива в ледовой обстановке арктических акваторий / А.В. Сальников, Г.Г. Грибов // Известия Коми научного центра УРО РАН. – 2015. – №. 3 (23). – С. 101-105.
3. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта / Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. - Ижевск: Научно-издательский центр "Регулярная и хаотическая динамика", 2006. - 528 с.
4. М.П. Лобачев. Влияние изменения вязкости нефти на характеристики ее разливов в холодной морской среде / Лобачев М.П., Сазонов К.Е. // Арктика: экология и экономика. – 2014. – № 1. С. 96 – 103.
5. Чухарева Н.В. Определение факторов техногенных событий при эксплуатации объектов ТЭК / Н.В. Чухарева, Ю.А. Краус, А.М. Ревазов // Neftegaz.RU. – 2018. – № 6. – С.114-120.
6. Чухарева Н.В., Лабораторные исследования методов защиты воды от нефтезагрязнений торфяным сорбентом в условиях пониженных температур / Н.В. Чухарева, М.П. Сартаков, И.Д. Комиссаров // Нефтяное хозяйство. – 2017. – № 10. – С. 132-136.
7. Правила организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации, утвержденные Постановлением Правительства РФ от 15.04.02 № 240. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.garant.ru (01.03.2018).
8. Постановление Правительства РФ от 21 августа 2000 г. № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов». [Электронный ресурс]. – URL: http://www.garant.ru (01.03.2018).
9. Приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации от 3 марта 2003 г. № 156 «Об утверждении указаний по определению нижнего уровня разлива нефти и нефтепродуктов для отнесения аварийного разлива к чрезвычайной ситуации». [Электронный ресурс]. – URL: http://www.garant.ru (01.06.2018).
10. Руководство по безопасности «Методические рекомендации по классификации техногенных событий в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах нефтегазового комплекса» (приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 24.01.2018 г. N29) [Электронный ресурс]. – URL: http://www.garant.ru (01.07.2018).
11. Проект Приказа Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов». [Электронный ресурс]. – URL: http://www.garant.ru (01.05.2018).
12. Ежегодные отчеты о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. Ростехнадзор [Электронный ресурс]. – URL: http://www.gosnadzor.ru (25.02.2018).
13. Установка для нанесения сорбентов (биосорбентов) на проливы нефтепродуктов: Патент РФ №2255177, заявл. 22.03.2004, опубл. 27.06.2005, Б.И. №18.
14. Установка нефтесборщик-аэратор (биосорбентов) на проливы нефтепродуктов: Патент РФ №2006115960, заявл. 20.02.2005, опубл. 27.06.2006, Б.И. №22.
15. Устройство для распыления мелкодисперсных твердых материалов: Патент РФ № 2004123874, заявл. 05.08.2004, опубл. 20.03.2006. [Электронный ресурс]. – URL: http://bd.patent.su/2271000-2271999/pat/servl/servletf9fe.html (01.09.2018).
16. Автономный нефтесборщик: Патент РФ №2471926, заявл. 15.07.2011, опубл. 10.01.2013. [Электронный ресурс]. – URL: http://allpatents.ru/patent/2471926.html (01.09.2018).
17. Устройство для удаления поверхностного слоя нефтесодержащих жидкостей: Патент РФ №2503624, заявл. 10.01.2012, опубл. 10.01.2014. [Электронный ресурс]. – URL: http://allpatents.ru/patent/2503624.html (01.09.2018).
18. ФЗ 116. О промышленной безопасности опасных производственных объектов (с изменениями на 7 марта 2017 года) [Электронный ресурс]. – URL: http://www.consultant.ru (15.07.2018).
19. ISGOTT International Safety Guide for Oil Tankers and Terminals. Fifth Edition. – [Электронный ресурс]. – URL: http://www.idgca.org/doc/app2_290115.pdf (28.082018).
20. Allen A. The use of controlled burning during the Gulf of Mexico Deepwater Horizon MC-252 oil spill response/ A.A. Alan, J. Drew, J. Nere et al. // International Oil Spill Conference Proceedings (IOSC). – American Petroleum Institute. – 2011. – Vol. 2011. – №1. – pp. abs194.
21. WCMRC. The Basics of Marine: Oil Spill Response. Western Canada Marine Response Corporation; 2011:87.
22. Dave D. Responding to Oil Spill Disasters. Spills: A Critical Review and Comparative Analysis/ D. Dave, A.E. Ghaly // American Journal of Environmental Sciences – 2011. – № 7 (5). – рр. 423-440.
23. Pilzisa K. Oil product spreading on the water surface limitation using air stream / K. Pilzisa, V. Vaisisa, F. Romagnolib // Energy Procedia. – 2017. – Vol. 128. – рр. 345-349.
24. Fay J.A. Physical Process in the Spreading of Oil Water Surface Prevention and Control of Oil Spills. API: Washington, 1970. – 347 р.
