Защитные пенные экраны

Технические средства формирования защитных пенных экранов для локализации проливов нефти и нефтепродуктов

Гришкевич А.А., начальник отдела ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

В последние годы количество техногенных аварий на объектах переработки, хранения и перевозки (транспортирования) нефти и нефтепродуктов существенно не снизилось. Износ оборудования, не соблюдение технологии переработки, правил хранения и транспортировки приводит к аварийным ситуациям, которые могут привести к негативным последствиям для технического персонала и населения.

Необходимость в ужесточении правил хранения и транспортировки влечет за собой совершенствование не только технологии безопасного хранения и грузоперевозок, но и системы мониторинга и ликвидации последствий возможных аварий на подобных объектах.

Как загрязнитель окружающей среды нефть представляет большую опасность в связи с ее подвижностью и способностью «самотранспортироваться» в почвах, на поверхности воды и в воде. Особо опасна она при попадании в водоем.

В водоемах нефть образуют плавающую на воде нефтяную пленку. Характерная радужность пятна указывает, что ее толщина равна (1,5-10)·10-4мм. Меньшие количества нефти на поверхности воды дают серебристый отблеск. Более толстые пленки имеют темный цвет без интерференционной окраски.

При растекании нефти на поверхности воды ее более летучие компоненты испаряются (до 30% объема пролива сырой нефти), а водорастворимые (в основном фенольные производные) переходят в объем воды. Нефть с водой создает устойчивые эмульсии, содержащие до 80% воды. Эти эмульсии желтовато-коричневого цвета, вязкие (вязкость превышает 1000 сантистокс), что позволяет удалять ее большими рваными кусками.

Образующаяся на поверхности водоема нефтяная пленка нарушает газообмен с атмосферой, что приводит к обеднению воды кислородом. В результате жизнедеятельность обитателей водоема угнетается вплоть до их гибели. Тяжелые фракции нефти оседают на водной растительности, на дне и берегах водоемов, создавая длительно действующий источник загрязнения воды, особо сложный для сбора и нейтрализации.

При аварийном проливе нефти на лед и снежный покров в условиях пониженных температур, необходимо учитывать, что она быстро загустевает, может растекаться подо льдом, а легкие фракции нефти сохраняются в снегу длительное время.

В окружающей среде нефть может постепенно окисляются аэробными бактериями до безвредных продуктов. Это процесс самоочищения протекает при наличии достаточного количества кислорода только в теплое время года и продолжается длительное время. При температуре <5-10°C бактериальное разложение нефти практически приостанавливается.

Наиболее опасные ситуации связаны с воздействием на окружающую среду при возгорании нефтепродуктов. На людей, флору и фауну оказывает негативное влияние тепловой фактор (для человека критической во время пожара принята температура, равная 70°С). В зоне горения температура может возрастать до 800-1500°С, а иногда (при огненном шторме, горение металлов) и выше. На частицах дыма также происходят химические реакции с образованием новых, иногда более токсичных соединений, чем те, которые непосредственно образуются при горении. Размер зоны теплового воздействия зависит от интенсивности массо - и теплообмена, вида горючего и так далее. Вблизи и в зоне горения причинение вреда природной среде и технообъектам неизбежно.

Ущерб от крупномасштабных разливов нефти подсчитать достаточно сложно. Он зависит от многих факторов, таких, как тип разлитых нефтепродуктов, состояния пострадавшей экосистемы, погоды, океанских и морских течений, времени года, состояния местного рыболовства и туризма и пр.

Для определения ущерба, наносимого атмосфере при горении нефтепродукта необходимо учитывать множество показателей, некоторыми из них являются:

• количество вредного вещества (HCN, HCHO, CH3COOH, CO2, CO, C, NO2, H2S, SO2), образующихся при сгорании нефтепродуктов;
• удельный выброс вредного вещества, кг/кг; 
• нефтеемкость грунта, на который вылилась нефть, м3/м3; 
• плотность разлитого вещества, кг/м3 
• толщину пропитанного нефтепродуктом слоя почвы, м; 
• площадь пятна нефти и нефтепродукта на почве, м; 
• время горения нефти и нефтепродукта от начала до затухания, час;
• принятый коэффициент полноты сгорания нефтепродукта.

Основные мероприятия по очистке окружающей среды включают локализацию, сбор и уничтожение пролитого продукта, детоксикацию загрязненных почв, грунтов и воды.

Аварийным считается любой пролив нефтепродукта, угрожающий загрязнением земель, поверхностных и грунтовых вод. Их подразделяют на малые – объемом до 10м3, средние от 10 до 100м3, большие – объемом > 100м3.

Таблица 1. Методология ликвидации последствий аварии, связанной с проливом нефти и нефтепродуктов.

Практика последних лет показала необходимость оборудования химически опасных объектов совершенными техническими средствами локализации аварийных проливов химически опасных веществ и нефтепродуктов.

В данной области в последнее время всё активнее применяются технологии с применением твердеющих пенополимерных материалов для формирования защитных покрытий на поверхности пролива с целью недопущения образования и распространения вторичного облака и заражения территории за пределами очага пролива.

Твердеющие пены обладают уникальными свойствами. Одним из таких свойств является способность слоя пены, нанесенного на поверхность жидкости, снижать скорость поступления паров в воздух. Это свойство было проверено экспериментально на примере локализации аварийных проливов нефти. В лабораторных условиях и в ходе учений, проведенных на базе АО "Транснефть", было показано, что 5-сантиметровый слой полимерной пены предотвращает поступление углеводородов в воздух как минимум в течение суток. Это позволяет сократить сроки проведения аварийно-восстановительных работ при разрыве нефтепровода или в других аварийных ситуациях.

Для формирования пенных экранов применяется пенообразующая рецептура (ПОР), получаемая смешением двух компонентов в соотношении 1:1. Компонент № 1 водный раствор олигомера. Компонент № 2 - водный раствор катализатора отверждения и пенообразователя с технологическими добавками.

Норма расхода рецептуры для экранирования пролива нефти пеной с толщиной слоя 5 см составляет 2,5 л/м2 при кратности пены около 20 единиц. учитывая, что компоненты рецептуры содержат воду, они должны храниться и транспортироваться в отапливаемых отсеках. При хранении компонентов необходимо ориентироваться на раствор олигомера, имеющего гарантию до 1 года. По истечении срока хранения ПОР может быть использована для теплоизоляции пеной внешних поверхностей объектов, так как коэффициент теплопроводности пены составляет около 0,04 Вт/м.к.

После удаления из пенного экрана воды через несколько суток покрытие приобретает явновыраженную открытопористую структуру, способную сорбировать жидкости алифатического ряда. Это свойство может быть использовано для сборов проливов нефти и нефтепродуктов. Опыты показали, что сорбционная емкость размельченного поропласта при насыпной плотности около 20 кг/куб. м может достигать 28 г/г по сырой нефти и до 25 г/г по бензину.

При упаковке размельченной пены в боновые заграждения она может служить средством локализации проливов нефти и нефтепродуктов на поверхность воды. Сбор пролива может осуществляться распределением по поверхности вспененного порошка или с помощью набитых им матов. Аналогичные маты могут использоваться при проливе нефтепродуктов на грунт. Использование таких средств на АЗС и подвижных объектах, потребляющих горючее, может привести к оздоровлению экологической обстановки. Немаловажным является и тот факт, что при давлении 2 атм из сорбента отжимается до 85% поглощенной жидкости. В настоящее время ведутся проработки вопроса утилизации отработанного сорбента.

Для получения пены создано техническое средство, работающее по принципу смешения компонентов и вспенивания смеси. Характеристики средства приведены ниже:

Принципиальная схема установки:

1 - электромотор;
2 - компрессор;
3 - емкость с раствором смолы и пенообразователя;
4, 6 - насосы;
5 - емкость с раствором катализатора;
7 - устройство для механического распределения пены;
8, 9 - камерыпеногенератора;
10 - пульт управления.

Технические и эксплуатационные показатели пеногенерирующией установки определены в ходе опытных испытаний и на учных, проведенных, как отмечалось, на базе АО "Транснефть". Фрагменты учения представлены на фотографиях.
Положительный результат по огневой пробе позволяет сделать вывод о том, что сразу после укрытия нефти пеной можно начинать электро-газоварочные

Применение подобных материалов позволяет:

- избежать дальнейшего распространения очага загрязнения нефтепродуктами (попадания в водоемы, растекания по большим площадям);
- предотвратить загрязнения больших водных акваторий (при попадания нефтепродуктов в реки и проточные водоемы);
- исключить испарения легких фракций нефтепродуктов с поверхности пролива и избежать загрязнения воздуха, что может привести к поражению людей.

К тому же своевременное применение подобного типа материалов позволяет существенно облегчить работу аварийно-восстановительными бригадами по ремонту и восстановлению работы объекта.

Специалистами «Научного центра МО РФ» совместно с МЧС России, СУПЛАВ АК «Транснефть», «Московским комитетом по науке и технологии» и Московской городской поисково-спасательной службой с 1998 года разрабатываются пенообразующие рецептуры и технические средства их применения в очагах аварийного пролива нефти и нефтепродуктов.

Проведенные исследования по применению пенополимерных материалов на основе штатных рецептур войск РХБ защиты показали их эффективность по экранированию основных токсичных химикатов, нефти и нефтепродуктов.

В результате проведенных работ по заказу правительства Москвы и АК «Транснефть» г. Тюмень разработаны и эксплуатируются мобильные технические средства локализации пенополимерами ПСЛ-1, МТСЛП и МУСПЭ.

Внешний вид технических средств ПСЛ-1, МТСЛП и МУСПЭ представлены на рисунках 1-3:

Рисунок 1 Общий вид переносного средства локализации пенами (ПСЛ-1)

Рисунок 2 Общий вид МТСЛП

Рисунок 3 Общий вид мобильной установки для формирования пенных экранов (МУСПЭ)

В настоящее время в Научном центре разработан широкий модельный ряд технических средств локализации пенополимерами аварийных проливов нефти и нефтепродуктов технические характеристики которого представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики технических средств локализации проливов нефти и нефтепродуктов:

МТСЛП представляет собой автономное модульное техническое средство предназначенное для формирования на поверхности пролива токсичного вещества защитного экрана на основе вспененного материала с целью предотвращения его испарения. Внешний вид МТСЛП представлен на фото 2.
МТСЛП включает два модуля, представляющих собой транспортные тележки с специальным оборудованием и может применяться аварийно-спасательным подразделением в зависимости от стоящих перед ним задач как единовременно, так и раздельно.

Таблица - ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МТСЛП:

Модуль №1 включает: насосную станцию с пеногенератором и комплектом жидкостных магистралей, электростанцию (бензоагрегат), баллон с сжатым воздухом, емкости с запасом рабочих растворов пенообразующей рецептуры. Имея в составе источник сжатого воздуха и электоростанцию модуль является полностью автономным техническим средством, позволяющим доставить его к месту аварии, развернуть в течение 5-10 минут и начать проведение специальных работ по формированию защитного экрана. Формирование защитного экрана представлено на фото 3.

Модуль №2 представляет собой транспортную тележку с запасом сорбирующих матов, боновых заграждений и сорбента ПС-КФ-20 и предназначен для сбора пролитой нефти и нефтепродуктов. Сорбент ПС-КФ-20 представляет собой пеносорбент на основе карбамидоформальдегидной смолы (ТУ 2165-002-78031993-2006). Характеристики сорбента приведены ниже.

Технические характеристики:

• размер крошки - до 5;
• сорбционная емкость - 20…27;
• плавучесть на воде - не менее 100;
• регенерирующая способность - 40..50;

Сравнительные характеристики материалов-поглотителей по нефти:

К достоинствам сорбента ПС-КФ-20 можно отнести его высокие сорбционные свойства по нефти и дешевизну, к недостаткам невозможность повторного применения.

Сертификационные испытания МТСЛП проводились Испытательной лабораторией сорбентов и технических средств ликвидации аварийных проливов токсичных веществ, нефти и нефтепродуктов (РОСС RU.0001.03 ЭЧ16/16). В результате испытаний получен сертификат АСС МЧС России РОСС RU.03 ЭЧ16.С 0046.

В ходе сертификационных испытаний оценены защитные свойства экранов на основе предложенной полимерной рецептуры по различным веществам основные из которых приведены в таблице:

На фото 4 представлено испытание защитных свойств экрана по парам углеводородов нефти методом огневой пробы.

Установка применялась совместно с подразделением ПСС г. Москва для экранирования аварийного баллона с трифторидом бора при его эвакуации (фото 5).

МТСЛП может применяться:

- подразделениями аварийно-спасательной службы МЧС;
- аварийными службами на производящих и использующих токсические вещества предприятиях (хладокомбинаты, бензозаправочные пункты, водопроводные станции, химические производства и т.д.);
- специальными подразделениями ликвидации аварий на трубопроводном и железнодорожном транспорте.

Применение МТСЛП, способа локализации пенными экранами повысит возможность аварийно-спасательных служб города по ликвидации чрезвычайных ситуаций, снизит к минимуму негативные последствия аварийных ситуаций на объектах промышленной инфраструктуры мегаполиса, поможет избежать жертв среди населения и в целом оздоровить экологическую обстановку большого города.