ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ
Д.В. Кашарин,
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)
имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Обосновывается условия применения водо - и грунтонаполняемых оболочек из композитных материалов, мембранно-вантовых плотин в условиях морских побережий и малых водотоков при глубинах до 2.5 м для мероприятий по локализации аварийных
В настоящее время наибольшей опасностью является загрязнение водной среды нефтепродуктами (НП), что связано как с широким развитием такого загрязнения, так и с большими трудностями его локализации и ликвидации, т.к. ни одно другое загрязняющее вещество не может сравниться с нефтепродуктами по: широте распространения; количеству источников загрязнения; величине единовременных нагрузок на все компоненты природной среды. В соответствии с приказом МЧС РФ №621 «Об утверждении Правил разработки и согласования планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации» одним из наиболее важных факторов локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов является поддержание в готовности специальных сил и средств, применение которых позволяет оперативно устранять такие последствия, не допуская интенсификации негативных последствий для окружающей среды и систем жизнеобеспечения населения. Рекомендуется предварительно организовывать специальные инженерно-технические сооружения для локализации разливов нефти и нефтепродуктов.
В настоящее время известны мероприятия ликвидации аварий в акватории морей и крупных водных объектов, которые имеют достаточно совершенное математическое обоснование и заранее разработанные планы локализации аварийного разлива нефти (ЛАРН).
В то же время ЧС, связанные с добычей, транспортировкой, переработкой, хранением и распределением нефти и нефтепродуктов в результате аварийных и технологических утечек существенно влияют на поверхностные водные ресурсы, 90% которых являются малыми водотоками. Мероприятия по ликвидации последствий ЧС в настоящее время недостаточно разработаны и не всегда могут быть обеспечены инженерно-техническими средствами; транспортной инфраструктурой в районе возможного разлива нефти и нефтепродуктов (НП), что связано с разнообразием источников загрязнения НП, особенностями речного бассейна, его гидрологическими характеристиками и т.д. Поэтому времени (4 часа при разливе в акватории и 6 часов на территории водосбора в соответствии с приказом МЧС РФ №621) для принятия решения, доставки сил и необходимых средств к месту ЧС, локализации разлива нефти и нефтепродуктов может оказаться недостаточно для качественного выполнения работ. Кроме того, с учетом скорости течения водного потока за 4 часа загрязнение из малой реки длиной 11 км при средней скорости 0,8 м/с может попасть в более крупный водный объект. В связи с этим необходимо разработать мероприятия и мобильные инженерные сооружения, позволяющие уменьшить время их установки при обеспечении надежного их функционирования.
Для предотвращения попадания НП в водозаборные сооружения необходимо своевременно принять превентивные меры по локализации нефтяного загрязнения на наиболее опасных объектах, что требует разработки новых мероприятий и технических решений. При разработке необходимо определить условия и факторы распространения загрязнений в поверхностных водотоках.
Загрязнение НП происходит на всех этапах хозяйственной деятельности, связанной с: добычей; транспортировкой; переработкой; хранением и распределением нефти и нефтепродуктов в результате аварийных и технологических утечек. Однако наибольший ущерб водной среде наносит разлив нефти при чрезвычайных ситуациях, связанных с нарушением технологического цикла, авариями и катастрофами. Наибольшую угрозу представляет загрязнение нефтью поверхностных и подземных водоисточников.
Когда НП попадают в водоток с малой скоростью, они концентрируются в основном в поверхностном слое, преобразуясь из растворенных форм в пленочные, на незначительном расстоянии от места разлива. Для локализации разлива НП применяются боновые заграждения, затем распыляют сорбент пневматическими устройствами на поверхность нефтяного пятна или из-под поверхности и собирают нефть с помощью вакуум-насосов или механическими средствами. В Германии для локализации НП разработаны боновые заграждения из двух гибких оболочек воздухо - и водонаполняемых, обеспечивающих большую устойчивость при локализации разлива нефти. Для предотвращения попадания аварийно разливающихся жидких углеводородов в открытые водоёмы могут применяться грунтонаполняемые дамбы из непроницаемого геосинтетического материала.
При проведении работ по ограждению территорий прибрежных зон можно использовать грунтонаполняемые и водонаполняемые конструкции.
После ограждения места разлива НП для ее сбора применяют адсорбирующие материалы, которые можно подразделить на пористые полимерные материалы, а также неорганические и органические природные материалы. Полимерные материалы представлены сорбентами минерального происхождения, пенополиуретаном, который эффективно впитывает НП и может быть регенерирован механическим отжатием. Учитывая значительные затраты на транспортировку данных материалов, более экономичным является использование природных сорбентов (древесных опилок, шелухи риса, гречихи, овса, ржи, подсолнечника, льняной костры), которые при термообработке представляют собой органическую матрицу многоразмерной пористой структуры. Доступность материала для сорбента позволяет использовать его единовременно без регенерации, утилизируя в качестве топлива.
В случае проведения этих мероприятий необходимо обеспечивать устойчивость данных сооружений. Также время их заполнения грунтом несоизмеримо больше, чем у водо - и воздухонаполняемых конструкций. Основным недостатком таких дамб является малая устойчивость, недостаточное сцепление с поверхностью грунта, что может привести к их опрокидыванию.
При распространении нефтяного загрязнения в малых водотоках происходят такие процессы, как: гравитационное растекание; адвективный перенос; турбулентное перемешивание; испарение; растворение и т.д.
Гравитационное растекание зависит от сил инерции, вязкого трения и поверхностного натяжения. Силы гравитации уравновешиваются силами инерции и вязкости, а поверхностное натяжение уравновешивается силами вязкого трения.
При численном моделировании фазы переноса и турбулентной диффузии (НП) может применяться метод Монте-Карло, на основе которого статистическая модель диффузионного процесса рассматривается как случайное движение большого числа микрочастиц нефти.
Испарение нефти происходит при значительном количестве легких НП, испаряющихся в виде газовых ореолов. Растворимость НП в воде связана с их химическим составом и увеличивается в ряду парафиновые-циклопарафиновые-ароматические. Наибольшей растворимостью характеризуется бензол (1600-1800 мг/л), толуол (500-600 мг/л), ксилол (170-200 мг/л) и этилбензол (130-150 мг/л). Разрушение НП в водной среде происходит в основном при химическом окислении и биогенном разложении, скорость которого уменьшается в порядке: алканы > ароматические УВ >циклопарафины, а скорость химического окисления - ароматические УВ > циклопарафины > алканы. Самыми значимыми характеристиками качественного состава воды, влияющими на разрушение НП, являются минерализация, содержание растворенного кислорода, видовой состав и количество биогенных элементов водного объекта.
В настоящее время при проведении мероприятий по локализации и ликвидации разливов нефти, в том числе на малых водотоках, применяют боновые заграждения. При малых скоростях течения воды (до 0,15 м/с) и отсутствии сложного рельефа речного русла, преобладают процессы стадии гравитационно-вязкого растекания, моделирование данного процесса возможно с применением уравнений. В этом случае применение боновых заграждений дает достаточную эффективность локализации и сбора нефти при применении вакуум-насосов и сорбента, который распыляют на поверхности нефтяного пятна и удаляют механическими средствами. При больших скоростях течения водотока (свыше 0,15 м/с) интенсифицируются процессы рассеивания НП и турбулентной диффузии. В связи с этим НП распределяются по вертикали в сечении потока в соответствии с зависимостью и боновые заграждения в этом случае неэффективны. В этом случае ликвидации разливов нефти можно применять гидротехнические сооружения на основе мембранно-вантовой плотины из композитных материалов. К основным достоинствам таких сооружений относится возможность многократного использования, высокая мобильность. Конструкция облегченного мембранно-вантового сооружения с водовыпускным устройством представлена на рисунке.
При работе сооружения с водовыпускными окнами уменьшаются скорости в верхнем бьефе и поток воды проходит в нижней части сооружения через водовыпускные окна. Это позволяет создать условия для разделения воды и НП, а затем произвести в верхнем бьефе сбор нефти известными методами.
Однако при значительном распределении НП по глубине потока данный метод применяться не может, так как не исключается попадание НП в водопропускные окна. В связи с этим автором разработано мобильное сооружение (МС) для локализации и ликвидации нефтяных загрязнений в малых водотоках, представленное на рисунке.
Так как сооружение должно быть временным и его необходимо возвести в кратчайшие сроки, в качестве водоподпорного элемента используется мембранно-вантовая плотина из композитных материалов, которая позволяет перекрывать водоток шириной до 50 м и создавать напор до 2…3 м в течение 2…8 часов.
Уровень воды поднимается за счет водоподпорной оболочки, удерживаемой вантой-подбором. Устойчивость мобильного флютбета обеспечивается за счет гидростатического давления со стороны верхнего бьефа на гибкий понур. Одновременно уменьшается скорость подхода потока к сооружению, что способствует отделению НП в верхнем бьефе. При превышении уровня воды над расчетным срабатывает водовыпускное устройство и поток поступает через его водовыпускные отверстия на рисберму в нижний бьеф. При подходе загрязненной нефтепродуктами воды к сооружению устанавливаются картриджи с сорбентом, при прохождении через которые обеспечивается её очистка. Одновременно с поверхности удаляются НП известными способами. После истечения расчетного цикла фильтрации картриджи могут быть заменены.
При невозможности создания напора более 1,7…2 м необходимо обеспечить принудительную фильтрацию нефтепродуктов. В этом случае может быть применено разработанное нами новое техническое решение.
Поставленная задача достигается тем, что в русло реки устанавливают мобильное нефтеочистное сооружение для малых водотоков, включающее береговые анкерные опоры, вантовую систему, закрепляющую мембранную плотину, снабженную водовыпускным устройством и гибким флютбетом, причем в верхнем бьефе к вантовой системе прикреплено боновое заграждение и скриммер, подающий загрязненную нефтепродуктами воду в отводящий трубопровод, снабженный регулирующими задвижками с прикрепленной к нему системой картриджей, соединенных со сбросным трубопроводом. Отличительными признаками предполагаемого сооружения является наличие боновых заграждений, скриммера, отводящего трубопровода с системой картриджей, которые обеспечивают очистку малых рек от нефтепродуктов при аварийных ситуациях.
Технический результат заключается в возможности в кратчайшие сроки локализовать и ликвидировать распространение загрязнений от нефтепродуктов в малых водотоках, в связи с тем, что предполагаемое сооружение имеет относительно простую конструкцию, компактно (в сложенном виде), позволяет экономить материальные и трудовые ресурсы, доступно в эксплуатации. Введение в данное гидротехническое сооружение картриджей в нижнем бьефе, наполненных сорбентом, обеспечит эффективную очистку малого водотока от нефтяных загрязнений.
ВЫВОДЫ:
1. Применение оболочковых сооружений позволяет обеспечить заиту прибрежной зоны морей с предотвращением ущерба до 25 млрд. рублей в условиях побережья Черного моря..
2. Применение мембранно-вантовых плотин для локализации разливов нефти позволяет обеспечить локализацию нефтепродуктов в малых водотоках при создании напоров до 2,2, что обеспечит предотвраение уербом до 2.5 млрд. в условиях Южного региона России.
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)
имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Обосновывается условия применения водо - и грунтонаполняемых оболочек из композитных материалов, мембранно-вантовых плотин в условиях морских побережий и малых водотоков при глубинах до 2.5 м для мероприятий по локализации аварийных
В настоящее время наибольшей опасностью является загрязнение водной среды нефтепродуктами (НП), что связано как с широким развитием такого загрязнения, так и с большими трудностями его локализации и ликвидации, т.к. ни одно другое загрязняющее вещество не может сравниться с нефтепродуктами по: широте распространения; количеству источников загрязнения; величине единовременных нагрузок на все компоненты природной среды. В соответствии с приказом МЧС РФ №621 «Об утверждении Правил разработки и согласования планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации» одним из наиболее важных факторов локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов является поддержание в готовности специальных сил и средств, применение которых позволяет оперативно устранять такие последствия, не допуская интенсификации негативных последствий для окружающей среды и систем жизнеобеспечения населения. Рекомендуется предварительно организовывать специальные инженерно-технические сооружения для локализации разливов нефти и нефтепродуктов.
В настоящее время известны мероприятия ликвидации аварий в акватории морей и крупных водных объектов, которые имеют достаточно совершенное математическое обоснование и заранее разработанные планы локализации аварийного разлива нефти (ЛАРН).
В то же время ЧС, связанные с добычей, транспортировкой, переработкой, хранением и распределением нефти и нефтепродуктов в результате аварийных и технологических утечек существенно влияют на поверхностные водные ресурсы, 90% которых являются малыми водотоками. Мероприятия по ликвидации последствий ЧС в настоящее время недостаточно разработаны и не всегда могут быть обеспечены инженерно-техническими средствами; транспортной инфраструктурой в районе возможного разлива нефти и нефтепродуктов (НП), что связано с разнообразием источников загрязнения НП, особенностями речного бассейна, его гидрологическими характеристиками и т.д. Поэтому времени (4 часа при разливе в акватории и 6 часов на территории водосбора в соответствии с приказом МЧС РФ №621) для принятия решения, доставки сил и необходимых средств к месту ЧС, локализации разлива нефти и нефтепродуктов может оказаться недостаточно для качественного выполнения работ. Кроме того, с учетом скорости течения водного потока за 4 часа загрязнение из малой реки длиной 11 км при средней скорости 0,8 м/с может попасть в более крупный водный объект. В связи с этим необходимо разработать мероприятия и мобильные инженерные сооружения, позволяющие уменьшить время их установки при обеспечении надежного их функционирования.
Для предотвращения попадания НП в водозаборные сооружения необходимо своевременно принять превентивные меры по локализации нефтяного загрязнения на наиболее опасных объектах, что требует разработки новых мероприятий и технических решений. При разработке необходимо определить условия и факторы распространения загрязнений в поверхностных водотоках.
Загрязнение НП происходит на всех этапах хозяйственной деятельности, связанной с: добычей; транспортировкой; переработкой; хранением и распределением нефти и нефтепродуктов в результате аварийных и технологических утечек. Однако наибольший ущерб водной среде наносит разлив нефти при чрезвычайных ситуациях, связанных с нарушением технологического цикла, авариями и катастрофами. Наибольшую угрозу представляет загрязнение нефтью поверхностных и подземных водоисточников.
Когда НП попадают в водоток с малой скоростью, они концентрируются в основном в поверхностном слое, преобразуясь из растворенных форм в пленочные, на незначительном расстоянии от места разлива. Для локализации разлива НП применяются боновые заграждения, затем распыляют сорбент пневматическими устройствами на поверхность нефтяного пятна или из-под поверхности и собирают нефть с помощью вакуум-насосов или механическими средствами. В Германии для локализации НП разработаны боновые заграждения из двух гибких оболочек воздухо - и водонаполняемых, обеспечивающих большую устойчивость при локализации разлива нефти. Для предотвращения попадания аварийно разливающихся жидких углеводородов в открытые водоёмы могут применяться грунтонаполняемые дамбы из непроницаемого геосинтетического материала.
При проведении работ по ограждению территорий прибрежных зон можно использовать грунтонаполняемые и водонаполняемые конструкции.
После ограждения места разлива НП для ее сбора применяют адсорбирующие материалы, которые можно подразделить на пористые полимерные материалы, а также неорганические и органические природные материалы. Полимерные материалы представлены сорбентами минерального происхождения, пенополиуретаном, который эффективно впитывает НП и может быть регенерирован механическим отжатием. Учитывая значительные затраты на транспортировку данных материалов, более экономичным является использование природных сорбентов (древесных опилок, шелухи риса, гречихи, овса, ржи, подсолнечника, льняной костры), которые при термообработке представляют собой органическую матрицу многоразмерной пористой структуры. Доступность материала для сорбента позволяет использовать его единовременно без регенерации, утилизируя в качестве топлива.
В случае проведения этих мероприятий необходимо обеспечивать устойчивость данных сооружений. Также время их заполнения грунтом несоизмеримо больше, чем у водо - и воздухонаполняемых конструкций. Основным недостатком таких дамб является малая устойчивость, недостаточное сцепление с поверхностью грунта, что может привести к их опрокидыванию.
При распространении нефтяного загрязнения в малых водотоках происходят такие процессы, как: гравитационное растекание; адвективный перенос; турбулентное перемешивание; испарение; растворение и т.д.
Гравитационное растекание зависит от сил инерции, вязкого трения и поверхностного натяжения. Силы гравитации уравновешиваются силами инерции и вязкости, а поверхностное натяжение уравновешивается силами вязкого трения.
При численном моделировании фазы переноса и турбулентной диффузии (НП) может применяться метод Монте-Карло, на основе которого статистическая модель диффузионного процесса рассматривается как случайное движение большого числа микрочастиц нефти.
Испарение нефти происходит при значительном количестве легких НП, испаряющихся в виде газовых ореолов. Растворимость НП в воде связана с их химическим составом и увеличивается в ряду парафиновые-циклопарафиновые-ароматические. Наибольшей растворимостью характеризуется бензол (1600-1800 мг/л), толуол (500-600 мг/л), ксилол (170-200 мг/л) и этилбензол (130-150 мг/л). Разрушение НП в водной среде происходит в основном при химическом окислении и биогенном разложении, скорость которого уменьшается в порядке: алканы > ароматические УВ >циклопарафины, а скорость химического окисления - ароматические УВ > циклопарафины > алканы. Самыми значимыми характеристиками качественного состава воды, влияющими на разрушение НП, являются минерализация, содержание растворенного кислорода, видовой состав и количество биогенных элементов водного объекта.
В настоящее время при проведении мероприятий по локализации и ликвидации разливов нефти, в том числе на малых водотоках, применяют боновые заграждения. При малых скоростях течения воды (до 0,15 м/с) и отсутствии сложного рельефа речного русла, преобладают процессы стадии гравитационно-вязкого растекания, моделирование данного процесса возможно с применением уравнений. В этом случае применение боновых заграждений дает достаточную эффективность локализации и сбора нефти при применении вакуум-насосов и сорбента, который распыляют на поверхности нефтяного пятна и удаляют механическими средствами. При больших скоростях течения водотока (свыше 0,15 м/с) интенсифицируются процессы рассеивания НП и турбулентной диффузии. В связи с этим НП распределяются по вертикали в сечении потока в соответствии с зависимостью и боновые заграждения в этом случае неэффективны. В этом случае ликвидации разливов нефти можно применять гидротехнические сооружения на основе мембранно-вантовой плотины из композитных материалов. К основным достоинствам таких сооружений относится возможность многократного использования, высокая мобильность. Конструкция облегченного мембранно-вантового сооружения с водовыпускным устройством представлена на рисунке.
При работе сооружения с водовыпускными окнами уменьшаются скорости в верхнем бьефе и поток воды проходит в нижней части сооружения через водовыпускные окна. Это позволяет создать условия для разделения воды и НП, а затем произвести в верхнем бьефе сбор нефти известными методами.
Однако при значительном распределении НП по глубине потока данный метод применяться не может, так как не исключается попадание НП в водопропускные окна. В связи с этим автором разработано мобильное сооружение (МС) для локализации и ликвидации нефтяных загрязнений в малых водотоках, представленное на рисунке.
Так как сооружение должно быть временным и его необходимо возвести в кратчайшие сроки, в качестве водоподпорного элемента используется мембранно-вантовая плотина из композитных материалов, которая позволяет перекрывать водоток шириной до 50 м и создавать напор до 2…3 м в течение 2…8 часов.
Уровень воды поднимается за счет водоподпорной оболочки, удерживаемой вантой-подбором. Устойчивость мобильного флютбета обеспечивается за счет гидростатического давления со стороны верхнего бьефа на гибкий понур. Одновременно уменьшается скорость подхода потока к сооружению, что способствует отделению НП в верхнем бьефе. При превышении уровня воды над расчетным срабатывает водовыпускное устройство и поток поступает через его водовыпускные отверстия на рисберму в нижний бьеф. При подходе загрязненной нефтепродуктами воды к сооружению устанавливаются картриджи с сорбентом, при прохождении через которые обеспечивается её очистка. Одновременно с поверхности удаляются НП известными способами. После истечения расчетного цикла фильтрации картриджи могут быть заменены.
При невозможности создания напора более 1,7…2 м необходимо обеспечить принудительную фильтрацию нефтепродуктов. В этом случае может быть применено разработанное нами новое техническое решение.
Поставленная задача достигается тем, что в русло реки устанавливают мобильное нефтеочистное сооружение для малых водотоков, включающее береговые анкерные опоры, вантовую систему, закрепляющую мембранную плотину, снабженную водовыпускным устройством и гибким флютбетом, причем в верхнем бьефе к вантовой системе прикреплено боновое заграждение и скриммер, подающий загрязненную нефтепродуктами воду в отводящий трубопровод, снабженный регулирующими задвижками с прикрепленной к нему системой картриджей, соединенных со сбросным трубопроводом. Отличительными признаками предполагаемого сооружения является наличие боновых заграждений, скриммера, отводящего трубопровода с системой картриджей, которые обеспечивают очистку малых рек от нефтепродуктов при аварийных ситуациях.
Технический результат заключается в возможности в кратчайшие сроки локализовать и ликвидировать распространение загрязнений от нефтепродуктов в малых водотоках, в связи с тем, что предполагаемое сооружение имеет относительно простую конструкцию, компактно (в сложенном виде), позволяет экономить материальные и трудовые ресурсы, доступно в эксплуатации. Введение в данное гидротехническое сооружение картриджей в нижнем бьефе, наполненных сорбентом, обеспечит эффективную очистку малого водотока от нефтяных загрязнений.
ВЫВОДЫ:
1. Применение оболочковых сооружений позволяет обеспечить заиту прибрежной зоны морей с предотвращением ущерба до 25 млрд. рублей в условиях побережья Черного моря..
2. Применение мембранно-вантовых плотин для локализации разливов нефти позволяет обеспечить локализацию нефтепродуктов в малых водотоках при создании напоров до 2,2, что обеспечит предотвраение уербом до 2.5 млрд. в условиях Южного региона России.