ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΚΛΥΣΗ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑΓΩΓΟΥΣ

Transcript

1 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1 ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΚΛΥΣΗ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑΓΩΓΟΥΣ Σ. ΣΚΛΑΒΟΥΝΟΣ Υποψήφιος Δρ Χημικός Μηχανικός Ε.Μ.Π. Φ. ΡΗΓΑΣ Αναπληρωτής Καθηγητής Ε.Μ.Π. Σχολή Χημικών Μηχανικών Μονάδα Ασφάλειας-Υγιεινής-Περιβάλλοντος 1. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο βασικός στόχος της εργασίας αυτής είναι η επισήμανση των κυριοτέρων κινδύνων που ανακύπτουν στην περίπτωση διάρρηξης σωληναγωγών μεταφοράς καυσίμων αερίων. Όπως προέκυψε με τη μέθοδο της Ανάλυσης Δέντρου Συμβάντων, ένα πλήθος από σοβαρά ατυχήματα μεγάλης έκτασης (φλογοπίδακας, πυρόσφαιρα, ταχυκαύση, κατάκαυση, κατάρρηξη) μπορούν να επακολουθήσουν μια ανεπιθύμητη διάρρηξη. Μάλιστα, στη βάση των δυσμενέστερων πιθανών σεναρίων ατυχημάτων, έγινε ο προσδιορισμός των αποστάσεων ασφαλείας εκατέρωθεν των σωληναγωγών διανομής φυσικού αερίου, που πρόσφατα εγκαταστάθηκαν σε αρκετές μεγάλες Ελληνικές πόλεις. Τέλος, αναφέρονται ορισμένα στοιχεία για τη περίπτωση κρυογενικής έκλυσης αερίου, του οποίου η συμπεριφορά κατά την διασπορά αλλάζει ουσιαστικά, ενώ παρουσιάζονται σχετικά αποτελέσματα προσομοιώσεων τέτοιου τύπου εκλύσεων όπως διενεργήθηκαν με τον κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής CFX.

2 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τεράστιες ποσότητες αερίων καυσίμων διακινούνται καθημερινά σε παγκόσμια κλίμακα από τους τόπους άντλησης και τους σταθμούς παραγωγής στους τελικούς καταναλωτές (βιομηχανικές μονάδες, νοικοκυριά). Για τη διακίνηση χρησιμοποιούνται κατά πλειονότητα σωληναγωγοί που μεταφέρουν το καύσιμο αέριο συνήθως συμπιεσμένο. Ωστόσο, τα συστήματα αυτά σε συνδυασμό με τις τεράστιες ποσότητες που διακινούνται σε ημερήσια βάση, έχουν οδηγήσει στην εκδήλωση μεγάλου αριθμού ατυχημάτων, τόσο κατά τη μεταφορά (συστήματα υψηλής πίεσης), όσο και κατά τη διανομή σε αστικές περιοχές (δίκτυα μέσης και χαμηλής πίεσης). Στην εργασία αυτή, αναγνωρίστηκαν και επισημάνθηκαν οι κυριότεροι τύποι ατυχημάτων στους οποίους μπορεί να καταλήξει μια ανεπιθύμητη έκλυση καυσίμου αερίου μετά από διάρρηξη του αγωγού μεταφοράς. Επιπροσθέτως, στη βάση των δυσμενέστερων σεναρίων, προσδιορίστηκαν με τα κατάλληλα υπολογιστικά μοντέλα οι αποστάσεις ασφαλείας στην χαρακτηριστική περίπτωση των σωληναγωγών μεταφοράς και διανομής φυσικού αερίου που υφίστανται πλέον στην Ελληνική Επικράτεια. Δεδομένα αναφορικά με τα μεγέθη και τις εσωτερικές πιέσεις των αγωγών ζητήθηκαν για τον σκοπό αυτό και ελήφθησαν από την ΔΕΠΑ. Σε αυτήν την κατεύθυνση, διερευνήθηκαν κρίσιμοι παράγοντες ασφαλείας των σωληναγωγών, όπως η επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών, η εσωτερική πίεση και η διάμετρος των σωληναγωγών, ενώ εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα για τις άμεσες επιδράσεις αυτών των παραμέτρων στην απόσταση ασφαλείας που υπολογίζεται για το κάθε ατύχημα. Τα αποτελέσματα επεξεργάστηκαν και αξιοποιήθηκαν με την κατασκευή εύχρηστων διαγραμμάτων πρόβλεψης των αποστάσεων ασφαλείας για ποικίλες περιπτώσεις, τα οποία επιτρέπουν τον άμεσο προσδιορισμό της ζητούμενης απόστασης χωρίς την ανάγκη προσφυγής σε χρονοβόρους και πολύπλοκους υπολογισμούς. Τέτοιου τύπου διαγράμματα θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογή σε διαδικασίες επισήμανσης περιοχών υψηλού κινδύνου εκατέρωθεν των σωληναγωγών φυσικού αερίου, συμβάλλοντας έτσι σε ασφαλέστερες χρήσεις γης. Οι διαδικασίες επισήμανσης περιο-

3 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 3 χών υψηλού κινδύνου έχουν θεσμοθετηθεί στις ΗΠΑ για σωληναγωγούς υγρών καυσίμων, ενώ παρόμοιος κανονισμός αναμένεται να εκδοθεί και για σωληναγωγούς αερίων καυσίμων [1]. Στα σημαντικά συμπεράσματα αυτής της εργασίας συγκαταλέγεται η αλλαγή συμπεριφοράς του φυσικού αερίου (που σε συνήθεις συνθήκες είναι ελαφρύτερο του αέρα) κατά τη διαφυγή του από σύστημα υψηλής πίεσης, λόγω αύξησης της πυκνότητας στην έξοδο, οπότε και κατά την ατμοσφαιρική εκτόνωσή του προτείνεται η χρήση μοντέλων διασποράς για βαρύ αντί για ελαφρύ αέριο. Άλλη χρήσιμη παρατήρηση που προκύπτει από την εργασία είναι η δυνατότητα πρόβλεψης του πιθανοτέρου σεναρίου ανάφλεξης του διαφυγόντος αερίου με την κατάλληλη μεθοδολογία, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη διαφυγή. Εξάλλου, η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε έδειξε ότι στην περίπτωση ανάπτυξης φλογοπίδακα, οι αυξημένες ταχύτητες αέρα επιδρούν κατασταλτικά στην επίδραση της θερμικής ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα για μεγαλύτερες ταχύτητες αέρα να παρατηρούνται μικρότερες αποστάσεις ανεπιθύμητων επιπτώσεων και άρα μικρότερες αποστάσεις ασφαλείας. Αντίθετα, στην περίπτωση διασποράς, η ατμοσφαιρική διάχυση επηρεάζεται κυρίως από την ηλιακή ακτινοβολία, και μάλιστα για αυξημένη ηλιοφάνεια οι αποστάσεις ασφαλείας που υπολογίζονται είναι μικρότερες. Με βάση τα συμπεράσματα αυτά και τη χρήση δεδομένων λειτουργίας αναφορικά με τους σωληναγωγούς διανομής φυσικού αερίου, έγινε ο υπολογισμός των αποστάσεων ασφαλείας για το χειρότερο σενάριο ανάπτυξης φλογοπίδακα και κατασκευή διαγραμμάτων που επιτρέπουν τον άμεσο υπολογισμό τους. Φυσικά, υπάρχουν και περιπτώσεις, στις οποίες το καύσιμο αέριο προτιμάται να διακινείται υγροποιημένο για οικονομικούς κυρίως λόγους (π.χ. υγραέριο, υδρογόνο). Τότε, όπως έχει παρατηρηθεί πειραματικά, αλλά όπως διαπιστώνεται και υπολογιστικά σε αυτήν την εργασία, η συμπεριφορά του εκλυόμενου αερίου είναι παρόμοια με αυτήν ενός αερίου βαρύτερου του αέρα, ακόμα και εάν το αέριο είναι σημαντικά ελαφρύτερο από αυτόν (π.χ. φυσικό αέριο, υδρογόνο) σε συνθήκες περιβάλλοντος.

4 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 3. ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΚΙΝΔΥΝΩΝ Ο όρος της αναγνώρισης κινδύνου χρησιμοποιείται εδώ με την έννοια της επισήμανσης όλων των πιθανών επικίνδυνων καταστάσεων που ενδέχεται να επακολουθήσουν μια ατυχή έκλυση καυσίμου αερίου. Προκειμένου, λοιπόν, να εντοπιστούν όλα τα πιθανά σενάρια ατυχημάτων που αφορούν στην έκλυση αερίου καυσίμου από σωληναγωγούς, εφαρμόστηκε η μέθοδος της Ανάλυσης Δέντρου Συμβάντων (Event Tree Analysis ή ETA) [2]. Η μέθοδος ΕΤΑ ξεκινά από ένα εναρκτήριο γεγονός (διαφυγή αερίου λόγω διαρροής ή πλήρους διάρρηξης) και καταλήγει σε ένα τελικό αποτέλεσμα ανάλογα με τις συνθήκες που θεωρείται ότι επικρατούν (Σχ. 1). Οι παράγοντες οι οποίοι δύνανται να επηρεάσουν ουσιαστικά την εξέλιξη μιας ανεπιθύμητης διαφυγής καύσιμου αερίου, όπως φαίνεται και στο Σχ. 1, είναι η χρονική στιγμή της ανάφλεξης και ο περιορισμός του χώρου (ανοικτός ή κλειστός) όταν αυτή διενεργείται. Σε περιορισμένο (κλειστό) χώρο, οι ταχύτητες διάδοσης της φλόγας στην αναφλέξιμη ζώνη του καύσιμου νέφους αυξάνονται σημαντικά και είναι ικανές να ξεπεράσουν κατά πολύ την ταχύτητα του ήχου. Τότε, επειδή σε πρώιμη ανάφλεξη το μίγμα καυσίμου-αέρα είναι αρκετά πλούσιο ώστε να μπορεί να βρίσκεται κοντά στο μηδενικό ισοζύγιο οξυγόνου (στοιχειομετρική αναλογία καυσίμου-αέρα στο μίγμα), η ανάφλεξη μπορεί να οδηγήσει σε μια ισχυρή έκρηξη (κατάρρηξη - detonation), η οποία συνοδεύεται από κρουστικό κύμα (shock wave) παρόμοιο με αυτό που παράγεται από πυκνά εκρηκτικά, δηλαδή, ακαριαία αύξηση της πίεσης από τα ατμοσφαιρικά επίπεδα στη μέγιστη υπερπίεση. Σε ανοικτό χώρο, ή σε συγκεντρώσεις μακριά από το μηδενικό ισοζύγιο οξυγόνου, η φλόγα διαδίδεται στην αναφλέξιμη ζώνη του νέφους με ταχύτητα που για μίγματα υδρογονανθράκων δεν ξεπερνά τις μερικές δεκάδες μέτρα το δευτερόλεπτο με αμελητέες υπερπιέσεις (κατάκαυση - deflagration). Επίσης, λόγω της µη τοξικότητας του φυσικού αερίου, οι κίνδυνοι περιορίζονται στα ενδεχόµενα ανάφλεξής του. Εάν το νέφος του αερίου καυσίμου δεν αναφλεγεί, τότε το διαφυγόν αέριο διασπείρεται στην ατμόσφαιρα µε ταυτόχρονο σχηµατισµό νέφους που είναι αναφλέξιμο έως µια συγκεκριµένη απόσταση. Η απόσταση αυτή περιορίζεται µέχρι το σημείο όπου εκτείνεται το κατώτερο όριο αναφλεξιµότητάς

5 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5 του αερίου (ΚΟΑ). Η παρουσία µιας πηγής έναυσης εντός της απόστασης αυτής, θα προκαλέσει ανάφλεξη, η οποία θα καταλήξει, είτε σε απλή καύση (ταχυκαύση - flash fire), είτε σε έκρηξη περιορισμένου νέφους ατμών (Confined Vapor Cloud Explosion - CVCE) [3]. Κατά την έκρηξη νέφους ατμών παράγεται μεν κρουστικό κύμα, το οποίο όμως παρουσιάζει μεγαλύτερη διάρκεια φάσης και λιγότερο απότομη αύξηση έως τη μέγιστη υπερπίεση σε σχέση με το κρουστικό κύμα (blast wave). Προφανώς, ένα κρουστικό κύμα είναι περισσότερο επικίνδυνο από ένα απλό κύμα υπερπίεσης, αφού μια υλική κατασκευή ή ακόμα και το ανθρώπινο σώμα, καλείται να αφομοιώσει μεγαλύτερη πίεση σε σημαντικά μικρότερο χρόνο. Μια τέτοια έκρηξη μπορεί να συμβεί μόνο όταν το νέφος υφίσταται σε περιορισμένο χώρο (π.χ. μέσα σε ένα κτίριο ή σε έναν πυκνό πολεοδομικό ιστό), αφού τότε η ανάφλεξη που συμβαίνει αρχικά αυξάνει τη θερμοκρασία του αερίου, το οποίο στη συνέχεια συμπιέζεται με αποτέλεσμα η φλόγα να διαδίδεται με μεγαλύτερη ταχύτητα, η οποία φθάνει τελικά σε υπερηχητική καταλήγοντας σε κατάρρηξη. Σχήμα 1. Ανάλυση Δέντρου Συμβάντων για την περίπτωση έκλυσης αερίου καυσίμου.

6 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 Η χρονική στιγμή στην οποία συμβαίνει η ανάφλεξη, αφορά στο κατά πόσο έχει αναμιχθεί επαρκώς το διαρρέον αέριο με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Όταν η ανάφλεξη είναι άμεση, τότε εκτός από τον φλογοπίδακα (jet fire) που συνήθως δημιουργείται στο σημείο της διαρροής, ή την έκρηξη που μπορεί να συμβεί ανάλογα με τον περιορισμό, είναι πιθανό να δημιουργηθεί πυρόσφαιρα (fireball). Η πυρόσφαιρα δημιουργείται όταν η εξωτερική στοιβάδα του νέφους, στην οποία η ανάμιξη του καύσιμου αερίου με τον αέρα έχει δημιουργήσει αναφλέξιμο μίγμα, αναφλέγεται και αρχίζει να καίγεται. Αρχικά, το μίγμα καυσίμου-αέρα στο εσωτερικό του νέφους είναι πολύ πλούσιο και δεν καίγεται. Η καύση όμως της εξωτερικής στοιβάδας θερμαίνει το υπόλοιπο νέφος το οποίο ανυψώνεται λόγω άνωσης ακόμη και αν αρχικά ήταν βαρύτερο του αέρα, ενώ με την πλάγια ώθηση του ανέμου εκτελεί και οριζόντια κίνηση. Εξαιτίας, όμως, της μετατόπισης το νέφος αναδεύεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα και, ως αποτέλεσμα, νέες ποσότητες καυσίμου φθάνουν στα όρια αναφλεξιμότητας. Τελικά, σχηματίζεται μια πύρινη σφαίρα που είναι δυνατόν να ταξιδέψει σημαντικές αποστάσεις καθώς καίγεται. Όπως γίνεται κατανοητό, μια πυρόσφαιρα μπορεί να δημιουργηθεί μάλλον κατόπιν μαζικής έκλυσης, παρά στην περίπτωση μικρών διαρροών. Για τον υπολογισμό των αποστάσεων ασφαλείας είναι σκόπιμο να εξετασθούν τα δυσμενέστερα σενάρια μεταξύ των τελικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την Ανάλυση του Δέντρου Συμβάντων. Όπως αναφέρεται και στη βιβλιογραφία [4], πρέπει να μελετώνται σε μεγαλύτερο βάθος το ενδεχόμενο φλογοπίδακα (άµεση ανάφλεξη) και το ενδεχόμενο διασποράς, έτσι ώστε να προσδιορίζεται η μέγιστη απόσταση του ΚΟΑ στην οποία θα μπορούσε να συμβεί καθυστερηµένη ανάφλεξη. Στην πρώτη περίπτωση γίνεται χρήση του μοντέλου JET FLAME για τον υπολογισµό των αποστάσεων αποδεκτών τιµών έντασης θερµικής ακτινοβολίας, ενώ στη δεύτερη του μοντέλου SLAB για τον υπολογισµό της απόστασης την οποία θα διανύσει το νέφος, έως ότου επέλθει µείωση της συγκέντρωσής του κάτω από το κατώτερο όριο αναφλεξιµότητάς του.

7 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 7 4. ΕΚΛΥΣΕΙΣ ΥΓΡΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΑΕΡΙΩΝ Υπάρχουν ορισμένες περιπτώσεις, στις οποίες το καύσιμο αέριο προτιμάται να διακινείται υγροποιημένο για οικονομικούς κυρίως λόγους. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι αυτό του υγραερίου, όπου η υγροποίηση για την μεταφορά επιτυγχάνεται σε μέτριες πιέσεις που δεν ξεπερνούν τα 30 bar, και αυτή του υδρογόνου, όπου εκτός από την πίεση (20 έως 30 bar), εφαρμόζεται και η πολύ χαμηλή θερμοκρασία των 20 ο Κ (20.2 ο Κ = Σημείο βρασμού Η 2 ), έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η υγροποίηση. Σημειωτέον, ότι αν συμβεί διάρρηξη σε έναν αγωγό που μεταφέρει υγροποιημένο καύσιμο αέριο, τότε κατά την κρυογενική έκλυση και την επακόλουθη διασπορά θα παραχθεί αέριο που θα συμπεριφέρεται ως βαρύ αέριο, ακόμα και εάν σε συνθήκες περιβάλλοντος το ίδιο αέριο είναι κατά πολύ ελαφρύτερο από τον αέρα. Η δραματική αυτή μεταβολή της συμπεριφοράς κατά τη διασπορά, έχει αποδειχθεί και πειραματικά με πειράματα μεγάλης κλίμακας που διεξήχθησαν το 1982 στο πεδίο δοκιμών της Nevada των ΗΠΑ [5, 6] και αφορούσαν στη μαζική έκλυση υγροποιημένου φυσικού αερίου. Τότε, διαπιστώθηκε ότι πράγματι, το εκλυόμενο φυσικό αέριο δημιουργούσε ένα πυκνό, δυσδιάλυτο και βαρύ νέφος, που μετατοπιζόταν με τη φορά του αέρα παράλληλα με το έδαφος και σε χαμηλό ύψος για αρκετές δεκάδες μέτρα μακριά από την πηγή (Εικ. 1). Αυτή η συμπεριφορά διαπιστώθηκε υπολογιστικά για κρυογενική έκλυση υδρογόνου [7], με προσομοίωση της διασποράς μέσω του κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής CFX-5.7 (Εικ. 2), ο οποίος έχει επιβεβαιωθεί στο παρελθόν έναντι πειραματικών δεδομένων σε διασπορές πυκνών αερίων μεγάλης κλίμακας [8]. Η ομοιότητα στη ροή μεταξύ των δύο περιπτώσεων είναι προφανής (Εικ. 1 και 2). Εξάλλου, όπως γίνεται φανερό από τις Εικ. 3 και 4, στην πηγή εξόδου υπάρχει έντονη τυρβώδης ανάμιξη μεταξύ του εκλυόμενου κρυογενικού αερίου και του ατμοσφαιρικού αέρα. Στην πραγματικότητα, τα μόρια του εκλυόμενου αερίου περιδυνίζονται εκτελώντας αρχικά μια ελικοειδή κίνηση (λόγω των δυνών της τύρβης) που συνοδεύεται από απότομες μεταβολές της ταχύτητας και ταυτόχρονα οριζόντια κίνηση (λόγω της παράσυρσης από τον αέρα), έως ότου η ροή καταλήξει τελικά σε στρωτή.

8 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 8 Εικ. 1. Στιγμιότυπο από την έκλυση υγροποιημένου φυσικού αερίου (Lees, 1996). Εικ. 2. Στιγμιότυπο της διασποράς του νέφους από κρυογενική έκλυση υδρογόνου, όπως προσομοιώθηκε με τον κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής CFΧ.

9 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 9 Εικ. 3. Ροϊκές γραμμές πεδίου διασποράς κατά την κρυογενική έκλυση υδρογόνου. Εικ. 4. Υπολογιστικό χωρίο προσομοίωσης διασποράς υγροποιημένου υδρογόνου: Ανάπτυξη στρωτής ροής σε απόσταση περίπου 30 m από την πηγή και ανύσματα αέρα (αριστερά).

10 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 5.1. Στατιστικά Στοιχεία Στο παρελθόν έχουν συµβεί σοβαρά ατυχήµατα σε αγωγούς, φυσικού αερίου µε µεγάλες υλικές ζηµιές, αλλά συχνά και µε ανθρώπινα θύµατα, καταδεικνύοντας ότι στη πραγματικότητα η διακίνηση φυσικού αερίου μέσω σωληναγωγών σε κατοικημένες περιοχές μπορεί να αποτελέσει απειλή για τη δημόσια ασφάλεια. Οι κύριες αιτίες, οι οποίες θα μπορούσαν να αποτελέσουν το έναυσµα για ένα τέτοιο ατύχηµα είναι: Εξωτερικοί παράγοντες από άλλες δραστηριότητες. Διάβρωση. Διάρρηξη του µέσου μεταφοράς λόγω μηχανικής αστοχίας. Μετακίνηση του εδάφους (π.χ. καθίζηση). Οι συχνότητες αστοχίας σωληναγωγών, όπως έχουν εκτιµηθεί από πρόσφατα Ευρωπαϊκά δεδοµένα, κυµαίνονται µεταξύ των τιµών 2.1x10-4 (για µικρές διαµέτρους) και 7.7x10-4 (για σχετικά μεγάλες διαµέτρους) ανά χλµ. ανά χρόνο που είναι σηµαντικά μεγαλύτερες από τη πάγια αποδεκτή τιµή του 10-6 για ατυχήματα μεγάλης έκτασης [9]. Φυσικά, οι τιµές αυτές αυξάνονται δραµατικά αναγόµενες στο συνολικό µήκος αγωγών πολλών χιλιοµέτρων. Στατιστικά στοιχεία που αφορούν στην τελευταία εικοσαετία και αναφέρονται σε ατυχήματα που έχουν συμβεί σε σωληναγωγούς φυσικού αερίου, φανερώνουν αφενός μεν τις τεράστιες οικονομικές επιπτώσεις τους (Σχ. 2), αφετέρου δε την αμείωτη συχνότητα με την οποία αυτά πραγματοποιούνται, παρά τα συνεχώς αυξημένα και τεχνολογικά προηγμένα μέτρα και συστήματα ασφάλειας που εφαρμόζονται στην πράξη (Σχ. 3).

11 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ µ (. $) Σχήμα 2. Οικονομικό κόστος ατυχημάτων σε σωληναγωγούς φυσικού αερίου κατά την περίοδο σε εκατομμύρια δολάρια (πηγή: Office of Pipeline Safety Administration, Σεπτέμβριος 2004). 120 µ Σχήμα 3. Αριθμός ατυχημάτων σε σωληναγωγούς φυσικού αερίου κατά την περίοδο (πηγή: Office of Pipeline Safety Administration, Σεπτέμβριος 2004) Χαρακτηριστικές περιπτώσεις ατυχημάτων σε αγωγούς φυσικού αερίου Αστοχίες αγωγών φυσικού αερίου έχουν οδηγήσει στο παρελθόν σε εκτεταμένες υλικές ζημιές αλλά και ανθρώπινες απώλειες. Το διαρρέον καύσιμο αέριο συνήθως αναφλέγεται καταλήγοντας σε φλογοπίδακα (Εικ. 5), ενώ ολοκληρωτικές ρήξεις αγωγών είναι

12 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 12 Εικ. 5. Ανάπτυξη φλογοπίδακα μετά την αστοχία αγωγού μεταφοράς φυσικού αερίου. Εικ. 6. Δημιουργία κρατήρα από την έκρηξη αγωγού μεταφοράς φυσικού αερίου.

13 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 13 δυνατόν να συνοδευτούν από έκρηξη δημιουργώντας στο έδαφος τεράστιους κρατήρες (Εικ. 6). Τυπικά παραδείγματα ατυχημάτων σε αγωγούς φυσικού αερίου αναφέρονται στις επόμενες παραγράφους. Στις 9 Ιουνίου του 1984, στην πόλη Αcachapan του Μεξικού, ένας αγωγός φυσικού αερίου εξερράγη κατά τη διάρκεια εργασιών επισκευής ενός τμήματός του. Μετά από την έκρηξη ακολούθησε πυρκαγιά που έκαιγε για 14 ώρες. Το αποτέλεσμα ήταν 9 άτομα να τραυματιστούν και άλλα 41 να χάσουν τη ζωή τους, μεταξύ των οποίων και μαθητές ενός γειτονικού σχολείου που κατέρρευσε, ενώ το ατύχημα βρισκόταν σε εξέλιξη. Παρόμοιο περιστατικό με ανθρωπογενή δραστηριότητα να αποτελεί το έναυσμα για τη διάρρηξη ενός αγωγού, έγινε την 28η Σεπτεμβρίου του 1993 στην πόλη Las Tejerias στην Βενεζουέλα κατά την υπόγεια εγκατάσταση καλωδίων ενσύρματης τηλεφωνίας με 40 νεκρούς και 50 τραυματίες. Βέβαια, ατυχήματα σε αγωγούς αερίων καυσίμων δεν συμβαίνουν μόνο σε τεχνολογικά υπανάπτυκτες χώρες όπως συχνά αναφέρεται, αλλά και σε χώρες που ηγούνται της τεχνολογικής ανάπτυξης παγκοσμίως. Σχετικά πρόσφατο παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση έκρηξης ενός υπεδάφιου αγωγού φυσικού αερίου στην πόλη New Jersey των ΗΠΑ. Οι φλόγες από το φλογοπίδακα που ξέσπασε μετά την έκρηξη ήταν ορατές από απόσταση 80 χλμ., ενώ σημειώθηκαν συνολικά ένας νεκρός και πενήντα τραυματίες. Πιθανολογείται ότι, κατά τη διάρκεια εκσκαφής που διενεργούταν σε μικρή απόσταση, ο αγωγός δεν υπέστη κάποια προφανή βλάβη, αναπτύχθηκαν όμως σε αυτόν μικρορωγμές. Οι μικρορωγμές επεκτάθηκαν, και λόγω της αυξημένης κόπωσης, ο αγωγός τελικά αστόχησε Άγνωστες και ανεξάρτητες μεταβλητές Το φυσικό αέριο αποτελείται στο µεγαλύτερο ποσοστό του από µεθάνιο (~98%) και γι αυτό στους υπολογισµούς θα μπορούσε να γίνει χρήση των θερµοδυναµικών ιδιοτήτων του µεθανίου. Υπάρχουν ωστόσο, ειδικά προγράμματα τα οποία έχουν τη δυνατότητα να υπολογίζουν ιδιότητες μιγμάτων. Το µοντέλο CHETAH που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εργασία, παρέχει τη δυνατότητα υπολογισµού θερµοχηµικών ιδιοτήτων µιγµάτων,

14 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 14 όπως η θερµότητα καύσης (η οποία υπεισέρχεται στους υπολογισµούς των µοντέλων προσοµοίωσης περιπτώσεων πυρκαγιάς) και το κατώτερο όριο αναφλεξιµότητας (το οποίο υπεισέρχεται στους υπολογισµούς των µοντέλων διασποράς), αρκεί να είναι γνωστή η αναλογία και η µοριακή δοµή των συστατικών τους. Τα μεγέθη που υπολογίστηκαν για το φυσικό αέριο παρουσιάζονται στον Πιν. 1. Εξάλλου, όπως υπολογίζεται για την περίπτωση διαρροής από τον αγωγό υψηλής πίεσης (50 bar), το φυσικό αέριο κατά την έξοδό του από τον σωλήνα έχει πυκνότητα σημαντικά µεγαλύτερη αυτής του αέρα (υπολογιζόµενη τιµή 1.75 kg/m 3, έναντι 1,19 kg/m 3 του αέρα σε συνήθεις συνθήκες). Κατά συνέπεια, στον υπολογισµό της διασποράς του φυσικού αερίου μετά τη διαφυγή του από τον αγωγό υψηλής πίεσης, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι αυτό συµπεριφέρεται ως βαρύ και όχι ως ελαφρύ αέριο. Επιπροσθέτως, η διασπορά ενός αερίου εξαρτάται σε σηµαντικό βαθµό από τις µετεωρολογικές συνθήκες οι οποίες επικρατούν την στιγµή της έκλυσης. Ειδικότερα, ο δυνατός άνεµος σε συνδυασµό µε την ηλιακή ακτινοβολία συνεισφέρουν σηµαντικά στην ατμοσφαιρική διασπορά οποιουδήποτε εκλυόµενου αερίου, ενώ ο έντονος στροβιλισµός των µορίων του αέρα µε τα µόρια του αερίου είναι αυτός που οδηγεί στον ταχύ σχηµατισµό εκρηκτικού µίγµατος [10]. Παράλληλα, το σχήµα, το µέγεθος και άρα η ποσότητα της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας ενός φλογοπίδακα επηρεάζεται σημαντικά από την ταχύτητα του ανέµου. Έτσι, δηµιουργείται η ανάγκη εξέτασης ξεχωριστών ατµοσφαιρικών συνθηκών, οι οποίες διαφοροποιούνται ικανοποιητικά στις κατηγορίες κατά Pasquill Gifford. Τρεις διακριτές κατηγορίες εξετάζονται σε αυτή την εργασία: Α ασταθείς συνθήκες λόγω έντονης ηλιακής ακτινοβολίας και χαµηλές ταχύτητες ανέµου (1-2 m/s), F σταθερές συνθήκες (2-4 m/ s) για ενδιάμεσες τιµές ταχύτητας ανέµου και έλλειψη ηλιακής ακτινοβολίας (νύχτα), και D ουδέτερες συνθήκες λόγω δυνατών ανέµων (5-6 m/s) και µειωµένης ηλιακής ακτινοβολίας (συννεφιά). Φυσικά, η εσωτερική διάμετρος του σωληναγωγού και η εσωτερική του πίεση είναι εκείνα που θα καθορίσουν σε μεγάλο βαθμό το μέγεθος της έκλυσης [11] και άρα την έκταση του επακόλουθου ατυχήματος, οπότε χρειάζεται να συμπεριληφθούν στις ανεξάρτητες μεταβλητές.

15 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 15 Πίνακας 1. Θερμότητα καύσης και κατώτερο όριο αναφλεξιμότητας όπως υπολογίστηκαν από το πρόγραμμα CHETAH για το μίγμα του φυσικού αερίου. (%..) 98% CH 4, 0.6% C 2 H 6, 0.2% C 3 H 8, 0.2% C 4 H 10, 1% µ µ (%..) (kj/kg) 5.3% (25 C) Υπολογισμός αποστάσεων ασφαλείας Οι αποστάσεις ασφαλείας που προσδιορίζονται στη συνέχεια έχουν την έννοια του προσδιορισµού της µέγιστης απόστασης στην οποία αναμένονται δυσμενείς επιπτώσεις από µια δεδοµένη µορφή ατυχήµατος. Ο πρωταρχικός στόχος της επισήµανσης των ζωνών επικινδυνότητας γύρω από σωληναγωγούς φυσικού αερίου, επιτυγχάνεται µε τη χρήση των κατάλληλων µοντέλων ποσοτικής εκτίµησης κινδύνου, ακολουθώντας το λογικό διάγραμμα ροής του Σχ. 4. Για τον υπολογισµό των αποστάσεων ασφαλείας στη περίπτωση που θα αναπτυχθεί φλογοπίδακας απαιτείται η θεώρηση των µέγιστων επιτρεπτών επιπέδων έντασης θερµικής ακτινοβολίας. Από τα διαθέσιµα βιβλιογραφικά δεδοµένα, υιοθετήθηκαν οι περισσότερο συντηρητικές τιµές που παρουσιάζονται στον Πιν. 2. Πίνακας 2. Οριακές τιμές έντασης θερμικής ακτινοβολίας για την πρόκληση υλικών ζημιών και ανθρώπινων βλαβών. µ µ (kw/m 2 ) (s) µ 4 30 min µ µ µ µ µ s 1% 1 µ µ

16 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 16 Σχ. 4. Λογικό διάγραμμα ροής για τον υπολογισμό των αποστάσεων ασφαλείας από σωληναγωγούς καυσίμων αερίων. Η έκταση της ρήξης ενός αγωγού και συνεπώς η απελευθέρωση αερίου, κυµαίνεται από µικρές διαρροές έως την πλήρη διάρρηξη και απώλεια περιεχοµένου, µε ρυθµούς έκλυσης που µπορεί να φτάνουν τα μερικά εκατοντάδες κιλά ανά δευτερόλεπτο [12]. Ενδεικτικά, στα Σχ. 5 και 6 παρουσιάζονται οι αποστάσεις ασφαλείας για διάφορα μεγέθη οπής και για τους τρεις διαφορετικούς τύπους ατµοσφαιρικών συνθηκών Α, F και D, στην περίπτωση διασποράς και στην περίπτωση φλογοπίδακα, αντίστοιχα. Όπως γίνεται φανερό, η ακτίνα δράσης της θερµικής ακτινοβολίας ενισχύεται για τις χαµηλότερες ταχύτητες αέρα (1-2 m/s) και για συνθήκες πλήρους ηλιοφάνειας, ενώ η διασπορά σε συγκεντρώσεις άνω του ΚΟΑ ευνοείται για συνθήκες πλήρους έλλειψης ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτό μπορεί να γίνει ποιοτικά εύκολα αντιληπτό, από το διάγραμμα του Σχ. 7, όπου παρουσιάζεται η μεταβολή της απόστασης ασφαλείας συναρτήσει της εσωτερικής

17 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 17 διαμέτρου του αγωγού υψηλής πίεσης και της ταχύτητας του ανέμου. Λαμβάνοντας υπόψη το δυσμενέστερο ενδεχόμενο της πλήρους διάρρηξης του αγωγού, αποτελέσματα όπως αυτά των Σχ. 5 και 6 μπορούν να ενοποιηθούν σε διαγράμματα (Σχ. 8 και 9), τα οποία επιτρέπουν τον άμεσο υπολογισμό των αποστάσεων ασφαλείας για μια σειρά από εσωτερικές διαμέτρους, εσωτερικές πιέσεις και ταχύτητες ανέμου [13]. Βέβαια, τα δύο μοντέλα υπολογισμού που χρησιμοποιήθηκαν (JET FLAME για τον φλογοπίδακα και SLAB για τη διασπορά) είναι βασισμένα σε ορισμένες παραδοχές. Για παράδειγμα, αδυνατούν να συνεκτιμήσουν την παρουσία εμποδίων στο πεδίο υπολογισμού, γεγονός που θα οδηγούσε σε μειωμένες τιμές των αποστάσεων ασφαλείας. Κατά συνέπεια, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται πρέπει να θεωρούνται συντηρητικά. Σημειώνεται ότι και τα δύο μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν περιέχονται στο υπολογιστικό πακέτο BREEZE HAZARD που έχει αξιοποιηθεί με επιτυχία σε διαδικασίες ποσοτικής εκτίμησης επιπτώσεων από ατυχήματα μεγάλης έκτασης [14, 15]. (m) - KOA F D A µ (m) Σχήμα 5. Παράδειγμα υπολογισμού απόστασης ΚΟΑ στην περίπτωση διασποράς για τον αγωγό χαμηλής πίεσης (4 bar) σε διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Όπως προκύπτει, το νέφος διατηρείται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις για χαμηλότερη ηλιακή ακτινοβολία.

18 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ kw/m 2 (m) A F D µ (m) Σχήμα 6. Παράδειγμα υπολογισμού απόστασης ασφαλείας στην περίπτωση φλογοπίδακα για τον αγωγό χαμηλής πίεσης (4 bar) και θερμική ακτινοβολία ίση προς 1.5 kw/m 2 σε διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Όπως προκύπτει, η ακτίνα δράσης της θερμικής ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη για μικρότερες ταχύτητες αέρα. Σχήμα 7. Μεταβολή της μέγιστης απόστασης όπου προβλέπεται να αναπτυχθούν αναφλέξιμες συγκεντρώσεις φυσικού αερίου ως προς την ταχύτητα του ανέμου και την εσωτερική διάμετρο (για τον αγωγό υψηλής πίεσης). Παρατηρείται ότι οι μέγιστες αποστάσεις αντιστοιχούν σε ενδιάμεσες ταχύτητες αέρα και συνεπώς σε κατηγορία ατμοσφαιρικής σταθερότητας (F).

19 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 19 (m/s) µ (cm) Σχήμα 8. Διάγραμμα υπολογισμού αποστάσεων ασφαλείας από αγωγό διανομής φυσικού αερίου χαμηλής πίεσης (4 bar) σε περίπτωση ανάπτυξης φλογοπίδακα με κριτήριο την οριακή τιμή θερμικής ακτινοβολίας για εγκαύματα α βαθμού (1.5 kw/m 2 ), σε σχέση με τη ταχύτητα του ανέμου και την εσωτερική διάμετρο του αγωγού (bar) Operating Pressure (bar) Pipe Diameter (in) µ (cm) Σχήμα 9. Διάγραμμα υπολογισμού αποστάσεων ασφαλείας από αγωγό διανομής φυσικού αερίου χαμηλής πίεσης (4 bar) σε περίπτωση ανάπτυξης φλογοπίδακα με κριτήριο την οριακή τιμή θερμικής ακτινοβολίας για εγκαύματα α βαθμού (1.5 kw/m 2 ) και κατηγορία ατμοσφαιρικής σταθερότητας (Α), σε σχέση με την εσωτερική πίεση και διάμετρο του αγωγού.

20 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή περιγράφηκε μια μεθοδολογία ποσοτικής εκτίμησης των δυσμενέστερων επιπτώσεων από αστοχίες αγωγών µεταφοράς εύφλεκτων αερίων και παρουσιάστηκε η εφαρµογή της σε χαρακτηριστικές περιπτώσεις σωληναγωγών φυσικού αερίου. Όπως προέκυψε, διαρροές φυσικού αερίου ή ολοκληρωτικές καταστροφές των δικτύων μεταφοράς, που έχουν συμβεί μέχρι πρόσφατα διεθνώς, μπορούν στη πραγματικότητα να οδηγήσουν σε ένα πλήθος από σοβαρά ατυχήματα μεγάλης έκτασης. Η διαγραμματική απεικόνιση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την διαδικασία ποσοτικής εκτίμησης των επιπτώσεων για τα δυσμενέστερα σενάρια, κατέδειξε την έντονη επιρροή των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην εξέλιξη και τις επιπτώσεις ενός ατυχήματος. Ως εκ τούτου, στην περίπτωση φλογοπίδακα η επίδραση της θερμικής ακτινοβολίας αυξάνεται, όταν η ταχύτητα του ανέμου ελαττώνεται, ενώ στην περίπτωση διασποράς σπουδαιότερο ρόλο παίζει η ηλιακή ακτινοβολία, και συγκεκριμένα όσο λιγότερη είναι αυτή, τόσο μακρύτερα φτάνει το νέφος σε αναφλέξιμες συγκεντρώσεις. Τα υπολογιστικά αποτελέσµατα, μπόρεσαν επίσης να ενοποιηθούν προσφέροντας χρήσιμα διαγράμματα, µέσω των οποίων υπολογίζεται άμεσα η απόσταση ασφαλείας στην ευρύτερη περιοχή δικτύων διανομής φυσικού αερίου για ποικίλες διαµέτρους, εσωτερικές πιέσεις και ατμοσφαιρικές συνθήκες. Εξάλλου, όπως διαπιστώθηκε για ενδεχόμενη διάρρηξη αγωγού που μεταφέρει υγροποιημένο καύσιμο αέριο, κατά την έκλυση και διασπορά το αέριο θα συμπεριφερθεί ως βαρύ, ακόμα και εάν σε συνθήκες περιβάλλοντος το ίδιο αέριο είναι σημαντικά ελαφρύτερο από τον αέρα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. DeWolf G.B, Process safety management in the pipeline industry: parallels and differences between the pipeline integrity management (IMP) rule of the Office of Pipeline Safety and the PSM/RMP approach for process facilities. J. Hazard. Materials, 104: 169 (2003).

21 ΜΑΪΟΣ-ΙΟΥΝΙΟΣ 2005 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ CCPS, Guidelines for Hazard Evaluation Procedures, AIChE (1992). 3. CCPS, Guidelines for Chemical Transportation Risk Analysis, AIChE (1995). 4. Jo Y.D & Ahn B.J, Analysis of hazard areas associated with high-pressure natural-gas pipelines. J. Loss Prevention Process Ind. 15:179 (2002). 5. LLNL, Burro Series Data Report: LNG Spill Tests, UCID 19075, V.1 (1982). 6. Lees F.P, Loss Prevention in the Process Industries, 2nd edition, BH (1996). 7. Σκλαβούνος Σ. και Ρήγας Φ., Αναγνώριση Κινδύνων σε Εγκαταστάσεις Διαχείρισης Υδρογόνου. Πρακτικά 1ου Εθνικού Συνεδρίου Τεχνολογιών Υδρογόνου: Έρευνα Ανάπτυξη Εφαρμογές, 30/9 2/ , Αθήνα. 8. Sklavounos S. and Rigas F., Validation of turbulence models in heavy gas dispersion over obstacles. J. Hazard. Materials, 108: 9 (2004). 9. Taylor J.R., Risk Analysis for Process Plants, Pipelines and Transport, UK, Ε & FN Spon (1994). 10. Deaves D.M, Dense gas dispersion modeling. J. Loss Prevention Process Ind. 5: 219 (1992). 11. Bartenev A.M, Gelfand B.E, Makhviladze G.M and Roberts J.P., Statistical analysis of accidents on the Middle Asia-Centre gas pipelines. J. Hazard. Materials, 46(1): 57 (1996). 12. Olorunmaiye J. A and Imide N. E., Computation of natural gas pipeline rupture problems using the method of characteristics. J. Hazard. Materials, 34: 81 (1993). 13. Sklavounos S. and Rigas F., Estimation of safety distances in the vicinity of fuel gas pipelines, accepted in J. Loss Prevention Process Ind. (2005). 14. Ρήγας Φ. και Σκλαβούνος Σ., Εκτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων από ατυχήματα σε εγκαταστάσεις διαχείρισης χημικών με βάση την κοινοτική οδηγία SEVESO II. Τεχνικά Χρονικά ΤΕΕ (Διμηνιαία Έκδοση), Νοέμβριος Δεκέμβριος 2003, σελ Rigas F. and Sklavounos S., Major hazards analysis for populations adjacent to chemical storage facilities. Process Safety and Environmental Protection, 82(B5): 341.