Технологии и Материалы: Пожарная безопасность морских стационарных платформ для добычи нефти и газа на континентальном шельфе

Авторы:

Денис Гордиенко
Начальник отдела ВНИИПО МЧС России

Анна Мордвинова
Старший научный сотрудник ВНИИПО МЧС России

Юрий Шебеко
Главный научный сотрудник ВНИИПО МЧС России

Андрей Лагози
Начальник сектора ВНИИПО МЧС России

Валерий Некрасов
Ведущий научный сотрудник ВНИИПО МЧС России

Аннотация

Проведен обзор существующих морских стационарных платформ для добычи нефти и газа из морских месторождений. Проанализированы основные особенности морских стационарных нефтегазодобывающих платформ, которые обуславливают их высокую пожарную опасность. Представлены некоторые положения разработанного проекта свода правил по пожарной безопасности для рассматриваемых объектов. Кроме того, рассмотрены методология применения барьеров безопасности для управления пожарным риском и некоторые существующие методы обеспечения пожаровзрывобезопасности.

В настоящее время для длительной добычи нефти и газа на континентальном шельфе, особенно в условиях ледовых нагрузок, наибольшее распространение получили морские стационарные платформы (МСП) различного типа. Современные МСП — дорогостоящие сложные сооружения, при проектировании и строительстве которых реализуются передовые научно-технические достижения.

МСП представляют собой автономные сооружения, включающие комплекс добывающего, технологического, энергетического и вспомогательного оборудования, а также жилые модули, временные убежища, вертолетную площадку и средства обеспечения безопасного покидания платформ в критических аварийных ситуациях.

На рис. 1 показана одна из крупнейших в мире МСП — платформа «Хайберния» на месторождении им. Жанны д’Арк в Атлантическом океане. Основание гравитационного типа этой МСП занимает площадь 111 м2.

Рис. 1. Платформа «Хайберния» (о. Ньюфаундленд, Канада)

Другой пример уникальной МСП — норвежская платформа «Тролл-А» (см. рис. 2, 3), которая достигает 472 м в высоту и весит около 650 тыс. т. В опорах гравитационного основания платформы хранится добытая нефть.

Рис. 2. Платформа «Тролл-А» (Северное море)

Рис. 3. Опорное основание платформы «Тролл-А»

Крупнейшая в России МСП — это платформа «Беркут», предназначенная для освоения месторождения Арктун-Даги на континентальном шельфе Охотского моря вблизи о. Сахалин (см. рис. 4).

Рис. 4. Платформа «Приразломная» (Печорское море)

Другим примером уникальной российской МСП является платформа «Приразломная», предназначенная для освоения одноименного месторождения в Баренцевом море (Печорском море) (см. рис. 5).

Рис. 5. Пожар на платформе «Оушен Одиссей»

Одной из особенностей «Приразломной» является возможность хранения большого объема добываемой продукции непосредственно на МСП, в кессоне, в котором размещены резервуары хранения нефти (вместимостью около 130 тыс. м3).

Высокая пожарная опасность МСП обусловлена рядом характерных особенностей данных объектов. Одной из них является изолированность объекта при достаточно высокой численности персонала. В связи с этим определенную трудность представляют обеспечение своевременной и беспрепятственной эвакуации людей при возникновении пожара, их защита на путях эвакуации от воздействия опасных факторов пожара и безопасное покидание платформы в случае критической аварийной ситуации [1].

Другой особенностью является максимальная степень использования полезной площади сооружения, а также плотное размещение на всех уровнях платформы большого количества оборудования различного функционального назначения. При этом технологические процессы на платформах осуществляются при повышенных значениях параметров по сравнению с береговыми объектами.

Высокая пожарная опасность МСП также подтверждается крупномасштабными инцидентами, имевшими место при их эксплуатации.

На рис. 6 показаны фотографии пожара на плавучей установке «Оушен Одиссей» в Северном море.

Рис. 6. Пожар на платформе «Deepwater Horizon»

Интересна судьба этой платформы: после пожара она была частично демонтирована и по прямому назначению не использовалась. После переоборудования она использовалась в качестве стартового комплекса ракет-носителей в проекте «Морской старт» по запуску космических аппаратов с плавучего космодрома вблизи экватора.

Наиболее крупная авария за последние годы произошла в апреле 2010 г. на буровой платформе “Deepwater Horizon” в Мексиканском заливе, в результате которой погибли 11 человек (см. рис. 7). После взрыва на платформе начался пожар, продолжавшийся около 36 часов, после которого 22 апреля 2010 г. она затонула. Последовавший за этим разлив нефти превратил данную аварию в одну из крупнейших техногенных и экологических катастроф в истории морской нефтегазодобычи [2].

Рис. 7. Фрагмент диаграммы «галстук-бабочка», описывающий аварийную ситуацию со сгоранием накопленных паров ЛВЖ, ГЖ и ГГ в закрытом модуле МСП

Авария на платформе “Deepwater Horizon” показала, что такие инциденты могут привести к катастрофическим последствиям, для ликвидации которых потребуется привлечение сил и средств на уровне одного или даже нескольких государств.

Наиболее распространенным в мире является целеориентированный подход к обеспечению безопасности, при котором нормативно устанавливаются критерии приемлемости уровня безопасности и методы их оценки, а также рекомендуемые пути их достижения. Ограничения в устройстве объекта минимизируются, стимулируется использование новых подходов к обеспечению безопасности, и в конечном итоге обеспечивается более высокая экономическая эффективность проектных решений [3].

Одним из ключевых понятий Федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «Федеральный закон о техническом регулировании» [4] является понятие риска. Безопасность в этом законе определена как отсутствие недопустимого риска. В связи с этим и в Федеральном законе от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [5] пожарная безопасность определена как отсутствие недопустимого пожарного риска.

Пожарная безопасность объекта защиты считается обеспеченной при выполнении одного из следующих условий [5]:

В полном объеме выполнены требования пожарной безопасности, установленные техническими регламентами, и пожарный риск не превышает установленных допустимых значений;
В полном объеме выполнены требования пожарной безопасности, установленные техническими регламентами и нормативными документами по пожарной безопасности.

В последнее время ФГБУ ВНИИПО МЧС России на основе обобщения мирового опыта был разработан нормативный документ — проект свода правил «Морские стационарные платформы для добычи нефти и газа на континентальном шельфе. Требования пожарной безопасности». Проект устанавливает общие требования пожарной безопасности к МСП, в том числе к зонированию, объемно-планировочным и конструктивным решениям, к основному технологическому и вспомогательному оборудованию, к системам противопожарной защиты, а также к организационно-техническим мероприятиям и эвакуации персонала в случае возникновения пожара.

Ниже представлены некоторые основные положения данного свода правил, учитывающие уникальные особенности МСП.

При проектировании следует предусматривать размещение сооружений и оборудования на МСП, основываясь на следующих принципах:

группирование элементов компоновки по функциональному назначению и размещение их в самостоятельных зонах;
создание на МСП временного убежища, где персонал будет защищен от опасных факторов пожара и может находиться в течение времени, необходимого для ликвидации аварии или организации спасания с платформы, но не менее двух часов;
размещение скважин, основного, вспомогательного технологического оборудования и трубопроводов, резервуаров и складов с ЛВЖ и ГЖ и другими материалами таким образом, чтобы уменьшить риск возникновения пожароопасных ситуаций;
обеспечение вентилируемости участков для добычи и подготовки продукции и, по возможности, отделения крупногабаритного оборудования или оборудования, работающего под высоким давлением, от смежного оборудования;
размещение и применение эффективных систем (установок, средств) предупреждения и тушения пожаров.

Для ограничения распространения пожара зоны платформы необходимо отделять одну от другой противопожарными разрывами или противопожарными преградами, сокращающими до минимума степень использования активных систем противопожарной защиты. В случае необходимости следует использовать взрывоустойчивые преграды. Пределы огнестойкости строительных конструкций технологической зоны, в которой обращаются легковоспламеняющиеся, горючие жидкости и горючие газы, должны назначаться как для сооружения I степени огнестойкости. Стена жилого модуля, обращенная в сторону буровых и технологических установок, должна иметь предел огнестойкости не ниже REI 120 и быть взрывоустойчивой.

На МСП необходимо предусмотреть объединенную автоматическую систему управления технологическими процессами и обеспечения безопасности платформы, составной частью которой является система противоаварийной защиты технологических процессов, которая должна своевременно выявлять возникновение пожароопасных аварийных ситуаций и предотвращать их развитие. Данная система должна автоматически приводить в действие системы оповещения, устройства аварийного останова технологического процесса и инициировать системы аварийного отключения, а также соответствующие инженерные системы аварийной и противопожарной защиты (аварийная вентиляция, установки пожаротушения и т. п.).

На МСП следует предусмотреть создание не менее 2 пожарных подразделений из числа персонала. Персонал, входящий в состав этих подразделений, должен пройти подготовку по специально разработанным и согласованным в установленном порядке программам.

Нормативный уровень пожарной безопасности должен достигаться слаженным взаимодействием всех систем МСП, безотказной работой этих систем, дублированием их отдельных элементов, а также высоким уровнем профессионализма обслуживающего персонала.

Проект СП планируется в качестве базового нормативного документа, которым следует руководствоваться при:

разработке дополнительных нормативных документов, регламентирующих требования пожарной безопасности МСП;
проектировании, строительстве, эксплуатации, реконструкции, техническом перевооружении и ликвидации МСП.

Возвращаясь к целеориентированному подходу, следует отметить, что снижение уровня пожарного риска достигается за счет проведения системного анализа причин и условий развития аварий на платформах, прогнозирования их последствий и разработки так называемых «барьеров безопасности».

Пример аварии в Мексиканском заливе показывает, что катастрофическая авария на таком сложном производственном объекте является сочетанием инициирующего аварию события с неэффективным функционированием сразу нескольких барьеров безопасности.

В зависимости от непосредственного участия человека барьеры можно разделить на организационные и технические. Рассмотрим пример выбора технического барьера безопасности для обеспечения пожаровзрывобезопасности закрытых модулей МСП. Одним из наиболее опасных сценариев является сценарий аварии, связанный с утечками пожаровзрывоопасных веществ и накоплением паров и газов в закрытых модулях платформы, что может привести к взрыву газопаровоздушной смеси (ГПВС) с последующими катастрофическими последствиями. На рис. 8 представлен фрагмент диаграммы «галстук-бабочка», построенной для указанного сценария.

Для предотвращения возникновения опасного события в центре диаграммы — «сгорание облака ГПВС в закрытом модуле», а для снижения тяжести последствий наступления этого события рассматривается вариант применения трех различных барьеров безопасности.

Эффективным мероприятием, снижающим взрывные нагрузки до безопасного уровня, является устройство в наружном ограждении помещения сбросных проемов, оборудованных специальными легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК). Задача этих конструкций состоит в том, чтобы превратить замкнутое пространство помещения (модуля) в полузамкнутое и не дать давлению взрыва в помещении превысить допустимый уровень. Нормативные документы в области пожарной и промышленной безопасности [7, 8] предписывают оборудование помещений категорий А и Б по пожарной и взрывопожарной опасности ЛСК, которые располагаются в наружном ограждении модуля, вскрываются при сравнительно небольшом избыточном давлении и тем самым обеспечивают возможность интенсивного истечения газа (продуктов горения и непрореагировавшей части горючей смеси) через образовавшиеся проемы из объема модуля в наружную атмосферу. Для ряда помещений, расположенных внутри МСП, граничащих со всех сторон с другими помещениями различного функционального назначения, применение данного мероприятия технически невозможно. Также применение ЛСК затрудняется для МСП, эксплуатирующихся в арктических условиях, когда предъявляются требования к теплоизолирующим свойствам материалов ограждающих конструкций платформы, что зачастую приводит к увеличению их массы, которая оказывает существенное влияние на закономерности вскрытия ЛСК.

В описанных случаях для обеспечения пожаровзрывобезопасности закрытых технологических модулей необходимо применение альтернативных мероприятий.

Как правило, взрывобезопасность достигается пассивными методами, заключающимися в предупреждении образования облака ГПВС взрывоопасной концентрации, появления источников зажигания, а также в ослаблении разрушительных последствий взрыва, если он всё же произошел [9].

Активным способом взрывозащиты является система взрывоподавления, принцип действия которой заключается в быстром введении в защищаемый объем взрывоподавляющего огнетушащего вещества, останавливающего дальнейший процесс развития взрыва [9]. Этот способ основан на том, что взрыв рассматриваемых горючих веществ развивается в дефлаграционном режиме и в начальный период развития существует некоторое время (около 5.10–2 с), когда еще не происходит резкого повышения давления. Необходимым условием взрывоподавления является подача огнетушащего вещества в определенном количестве в очаг взрыва за этот промежуток времени.

Эффективность системы взрывоподавления определяется быстродействием отдельных ее элементов: временем обнаружения очага горения, скоростью срабатывания конструктивных элементов системы, временем подачи огнетушащего вещества в очаг пожара. В качестве взрывоподавляющих применяется широкий спектр веществ, например вода, порошки, аэрозоли, хладоны и др.

На диаграмме (рис. 8) два вышеописанных барьера безопасности отмечены цифрами 2 и 3 и являются барьерами, направленными на снижение последствий наступления опасного события. В качестве барьера, направленного на предотвращение возникновения этого события, в данном случае может быть использована система газовой флегматизации ГПВС. Метод флегматизации основан на разбавлении горючей ГПВС флегматизирующим веществом до состояния, когда эта смесь не способна распространять пламя [9]. Это состояние достигается при содержании разбавителя — флегматизатора в смеси, соответствующем «пику» на кривой (рис. 9), который называют минимальной флегматизирующей концентрацией. Принцип действия системы флегматизации заключается в следующем. При образовании облака ГПВС в замкнутом объеме технологического модуля МСП срабатывает датчик довзрывоопасных концентраций (с установленным порогом срабатывания), который подает сигнал в систему на подачу флегматизирующего вещества. При увеличении концентрации флегматизатора в ГПВС диапазон взрываемости сужается и при достижении значения происходит флегматизация смеси, и горение становится невозможным.

Рис. 8. «Полуостров флегматизации» — зависимость концентрации горючего вещества в ГПВС от концентрации флегматизатора в смеси: φн , φв — нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени горючего вещества соответственно (% об.); φф — концентрация флегматизатора в смеси (% об.)

Минимальная флегматизирующая концентрация может быть определена экспериментальным путем, согласно требованиям стандартов [10, 11] или расчетными методами, например [12, 13]. В качестве флегматизирующего вещества используются диоксид углерода, азот, инерген, хладоны и др., выбор которых производится в зависимости от эффективности, стоимостных характеристик, токсичности и других параметров.

Преимуществом использования данной системы является возможность совмещения функций пожаротушения и флегматизации в установках газового пожаротушения, защищающих помещения закрытых модулей. В таком случае при образовании ГПВС внутри модуля и превышении концентрации взрывоопасных веществ выше установленного порогового значения срабатывает датчик довзрывоопасных концентраций, и в объем модуля подается флегматизатор — газообразное огнетушащее вещество (ГОТВ) с заданными расходными характеристиками. При возникновении пожара, не связанного с горением ГПВС, срабатывают пожарные извещатели и происходит запуск автоматической системы газового пожаротушения, которая подает ГОТВ в защищаемое пространство.

Таким образом, система служит как для предотвращения пожара, так и для его тушения с помощью подачи одного и того же вещества в защищаемый объем, но с разными параметрами: в первом случае обеспечивающими достижение минимальной флегматизирующей концентрации, во втором — нормативной огнетушащей концентрации.

Затраты на организацию автоматической установки газового пожаротушения с дополнительной функцией флегматизации существенно ниже, чем установка оборудования системы взрывоподавления. Это играет немаловажную роль при выборе барьера безопасности для защиты модулей на МСП.

Таким образом, в случае невозможности выполнения, отсутствия или недостаточности требований нормативных документов по пожарной безопасности возможно применение альтернативных способов обеспечения пожарной безопасности — при условии, что пожарный риск не превысит нормативных значений.

Литература

Никитин Б. А., Тагиев Р. М. Обеспечение безопасности объектов обустройства морских месторождений. — Краснодар: Просвещение — Юг, 2008. — 204 с.
Deepwater Horizon. Accident Investigation Report. Executive summary. September 8, 2010. London.: BP, 2010. — 193 pp.
Мордвинова А. В., Некрасов В. П., Дешёвых Ю. И., Гилетич А. Н. Пожарная безопасность объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений. Проблемы и пути решения // Юбилейный сб. тр. ФГБУ ВНИИПО МЧС России. — М., 2012. — С. 162–182.
Федеральный закон от 27.12.2002 № 184-ФЗ «О техническом регулировании».
Федеральный закон от 22.07.2008 №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
Пилюгин Л. П. Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций. — М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2007. — 224 с.
СП 4.13130.2013 Системы противопожарной защиты. Ограничение распространения пожара на объектах защиты. Требования к объемно-планировочным и конструктивным решениям.
СП 56.13330.2011 Свод правил. Производственные здания. (Актуализированная редакция СНиП 31-03-2001).
Баратов А. Н. Горение — Пожар — Взрыв — Безопасность. — М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. — 364 с.
ГОСТ 12.1.044–89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
ISO 14520:2006. Установки газового пожаротушения. Физические свойства и проектирование.
Расчет концентрационных пределов распространения пламени парогазовых смесей сложного состава: Методич. пособие. — М.: ВНИИПО, 2012. — 51 с.
Шебеко А. Ю. Расчетная оценка горючести газовых смесей сложного состава // Пожарная безопасность. — 2007. — № 2. — С. 91–102.