Эти газопроводы построены около 30 лет назад и находятся не вполне в удовлетворительном состоянии, поэтому время от времени на магистральных газопроводах случаются техногенные катастрофы. Показательная авария произошла 6 декабря 2007 г. на газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород» на участке между компрессорными станциями № 36 и № 37. На этом же участке имела место подобная авария в 2004 г. На другом участке, вблизи с. Лука Таращанского района Киевской области, произошла аналогичная катастрофа 7 мая 2007 г.
Если не будут предприняты радикальные меры, техногенные катастрофы на газопроводах будут продолжаться и впредь, причем, учитывая возрастающую изношенность магистрального оборудования, коррозию подземных труб, следует ожидать роста числа техногенных катастроф на газовых коммуникациях. Известно, что такие катастрофы сопровождаются проявлением геофизических эффектов и имеют значительные экологические последствия. Поэтому изучение таких эффектов и последствий, вызванных техногенными катастрофами, является актуальной задачей.
Автором разработаны системный подход, методика анализа техногенных катастроф на объектах газового хозяйства и проведения комплексного анализа основных геофизических эффектов и геоэкологических последствий техногенных катастроф на магистральных газопроводах и в газовых хранилищах. При этом решались следующие задачи: 1) разработка методики расчета основных физических эффектов, связанных с истечением газа из поврежденных ПХГ; 2) расчет энергетики пожара, теплового и акустического излучений; 3) расчет выбросов химических веществ и аэрозолей; 4) оценка экологических последствий.
Важно, что особо мощные техногенные катастрофы, имеющие место у поверхности планеты, затрагивают в той или иной степени все подсистемы в системе «Земля — атмосфера — ионосфера — магнитосфера» и в конечном итоге приводят к глобальным и всепланетарным последствиям.
Газотранспортная система — сложное инженерное и технологическое сооружение. Эта система создавалась в 1970–1980 гг. как важная составляющая единой газотранспортной системы бывшего СССР. Она была предназначена для подачи природного газа от местозалеганий Западной Сибири и Средней Азии к промышленным регионам нашей страны, а также странам Совета экономической взаимопомощи и Западной Европы, удаленных от источников газодобывания на 4–5 тыс. километров.
Газотранспортная система Украины состоит из магистральных газопроводов, компрессорных станций и ПХГ. Рассмотрим их несколько подробнее.
Магистральные газопроводы. Сеть «Укртрансгаз» состоит из 36 тыс. километров магистральных газопроводов, сопряженных с 71 компрессорной станцией. Диаметр газовой трубы составляет 1,42 метра, давление газа — 75 атмосфер. Годовой транзит газа через территорию Украины составлял 120–140 млрд кубических метров (м3 ). Сеть «Укртрансгаза» состоит из транзитных систем: «Уренгой — Помары — Ужгород», «Союз», «Прогресс» и «Братство».
Газовые хранилища. Они представляют собой естественные или искусственные емкости (полости) для резервирования больших объемов газа и регулирования его подачи в соответствии с неравномерностью газопотребления. Как правило, газовые хранилища сооружаются вблизи магистральных газопроводов и центров потребления. Авария (пожар) на газопроводе или в центре потребления может привести к повреждению и разгерметизации газового хранилища. Поэтому газовые хранилища — постоянно действующий источник значительной опасности, источник техногенных катастроф с большим (сверхбольшим) энерговыделением.
Различают наземные, подземные и подповерхностные хранилища газа. Обычно емкость хранилищ не менее сотен миллионов кубометров. Проектная емкость наибольшего из них составляет 33.5 млрд м3 (табл. 1).
Обычно ПХГ создаются в природных емкостях, из которых выкачаны нефть и газ. Глубина таких хранилищ равна 100–1000 метров. Основное требование к ПХГ — его герметичность, прочность и инертность по отношению к хранящемуся веществу.
Газ закачивается в ПХГ и отбирается из них через специальные скважины.
Комплекс ПХГ Украины по объему хранящегося газа занимает второе (после России) место в Европе. Его проектная емкость составляет 68,5 млрд м3 , а фактическая — 30 млрд м3 . Примерно 80 % мощности этого комплекса приходится на Западноукраинский (Предкарпатский) комплекс. Главным из ПХГ является Бильче-Волицкое газохранилище, которое расположено во Львовской области, на границе Николаевского и Стрыйского районов. Это ПХГ — самое большое не только в Украине, но и в Европе. Его проектная емкость составляет 33,5 млрд м3 , а фактическая — 15,7 млрд м3 . Другие ПХГ имеют существенно меньшую емкость (см. табл. 1).
В Бильче-Волицкое газохранилище газ поступает из газопроводов «Уренгой — Помары — Ужгород» и «Ивасевичи — Долина». Хранилище создано на базе исчерпавшего свой ресурс местозалегания газа — Бильче-Волицкого-Угерского. Местозалегание находится на глубине 900–1100 метров. Хранилище снабжено 341 скважиной.
Ближайший населенный пункт — с. Пятничан — расположен на расстоянии менее двух километров от ПХГ «Бильче-Волица». Это хранилище рассчитано на 50 лет эксплуатации. Примерно 30 лет оно уже эксплуатируется. В настоящее время ПХГ находится в удовлетворительном состоянии, серьезных поломок и аварий не было.
Авария на газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород»
Начнем со слов очевидцев аварии. Вот как писали газеты о данной аварии:
«Мы пережили ужасную ночь. Я думал, что уже наступил конец света. В тот момент как раз смотрели с женой телевизор. И вдруг слышим, как задвигался дом, задрожали окна и двери, а за окном небо осветило громадное зарево. С испуга не знали, что делать. В чем были, выбежали на улицу и начали убегать к автотрассе. Вспаханное поле размокло, поэтому жена потеряла галоши и босыми ногами застряла в грунте, начала плакать. Я думал об одном, как доползти к той дороге. А огонь догонял нас…».
«За 7 км от места взрыва… небо напоминало восход солнца».
«На улице уже было темно. И вдруг перед глазами произошла какая-то вспышка… Земля гудела, как от землетрясения. Откуда-то слышался сильный треск, такой, как горит костер». Все это наблюдалось на расстоянии 4 км от места аварии.
«На следующий день воронка от взрыва, неестественного цвета обгоревший грунт вокруг нее выглядело как марсианский пейзаж».
Изложим кратко основные характеристики процессов, сопровождавших аварию 6 декабря 2007 г., детально изученные автором.
Оцененное двумя способами — по массе прореагировавшего вещества и степени разрушений — энерговыделение при взрыве газа оказалось близким к 14 ГДж.
Как и следовало ожидать, наиболее сильный пожар и наиболее сильные физические эффекты имели место в первые несколько минут после взрыва, пока давление вытекающего газа составляло десятки атмосфер.
Масса сгоревшего газа примерно равнялась 2,6 кт, энерговыделение — 130 ТДж, максимальная мощность горения — 1,2 ТВт. Энергии воздушной ударной и сейсмической волн, вызванных взрывом, были близки к 1 ГДж и 1 МДж, соответственно. Диаметр зоны, охваченной пламенем, достигал 100 метров, высота —360 метров, высота теплового потока (термика) — единиц километров. В огненном смерче вертикальная скорость движения нагретого газа в зависимости от высоты составляла сотни-десятки метров в секунду (с ростом высоты она, естественно, уменьшалась).
На основе рассчитанных параметров катастрофы оценены размеры и площади зон риска — зоны полного разрушения экосистемы, зон полного и частичного разрушения построек и небезопасной зоны. Их радиусы равнялись 16, 44, 615 и 6 400 метров, площади — 7,8×102 , 6×103 , 1,2×106 и 1,3×108 квадратных метров (м2 ), соответственно.
Радиус зоны вторичных пожаров достигал 0,6 км, а площадь — примерно 1 квадратный километр (км2 ).
Установлено, что массы выбросов дыма, сажи, угарного газа, углекислого газа и других вредных веществ в течение пожара были относительно невелики.
Показано, что энергия вторичных процессов, связанных с ослаблением интенсивности солнечной радиации заброшенными в атмосферу аэрозолями, в сотни тысяч раз больше энергии взрыва и всего в 5 раз — энергии, выделившейся при горении газа.
Из приведенных оценок следует, что масштабы техногенной катастрофы на газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород» были значительными. Еще больших последствий можно ожидать при авариях на ПХГ, где объем газа достигает 17 млрд м3 . Этот объем превышает объем сгоревшего газа при аварии на упомянутом газопроводе примерно в 400 тысяч раз.
Расчеты показали, что горение больших масс газа сопровождается существенными или даже значительными последствиями. В любом случае они будут неприемлемыми. Дело в том, что в зависимости от площади отверстия радиус зоны возгорания составляет 10–160 метров, а зона поражения человека тепловым излучением превышает 10–400 метров.
Представляет интерес оценка зон риска для населения, проживающего возле газовых коммуникаций. Суммарная длина магистральных газовых коммуникаций близка к 36 тыс. километров.
Суммарная площадь соответствующих зон риска, связанных со взрывами газа на газопроводах, проходящих через Украину, составляет около 1,2 тыс.; 3,2 тыс.; 48 тыс. и 230 тыс. км2 , или 0,2; 0,5; 8 и 38 % территории страны. При радиусе зоны первичных пожаров около 50 метров площадь первичных пожаров составит около 3,6 тыс. км2 . Эти пожары, в свою очередь, своим тепловым излучением способны вызвать возгорание на территории, суммарная площадь которой близка к 43 тыс. км2 . При площади Украины, равной 604 тыс. км2 , эти площади составляют 0,6 и 7 % от всей ее территории. На этих территориях проживает около 60 тыс. и 700 тыс. человек, соответственно. Таковы параметры зон поражения (зон риска).
Последствия аварии на участке магистрального газопровода «Ставрополь — Москва», которая произошла в 2015 г. в окрестности г. Ровеньки (Луганская область), были намного меньшими, чем во время аварии на газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород». Намного меньшими были потери газа, высота пламени не превышала 30 метров.
В самом начале нового 2016 г. Санта Клаус преподнес Украине «подарок». Первого января пожар возник на газопроводе «Союз» в Закарпатье. Авария вблизи с. Городилово (Закарпатская область) началась около 10 часов по киевскому времени. В результате проседания почвы произошла разгерметизация трубы. Началось вытекание газа, находившегося под давлением 75 атмосфер. В 12:03 произошло самовозгорание газового факела. Высота пламени достигала 100 метров. В 15:30 утечка газа прекратилась.
Масштаб пожаров, физические эффекты и экологические последствия пожара на газопроводе «Союз» сопоставимы с теми, что имели место во время аварии на газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород».
Подтвердилось предсказание автора, опубликованное в начале XXI века, что стареющее газовое хозяйство без модернизации все чаще будет сопровождаться крупномасштабными авариями.
Катастрофы на подземных хранилищах газа
Техногенные катастрофы такого масштаба вызывают определенные физические явления в приповерхностном слое и атмосфере. Основными поражающими факторами при горении больших объемов газа являются: собственно огонь, тепловое излучение факела и инфразвук. Рассмотрим соответствующие физические эффекты и экологические последствия подробнее.
Результаты расчетов для объема газа 17 млрд м3 и начального давления 75 атмосфер приведены в табл. 2. Видно, что при увеличении площади отверстия от единиц до тысяч квадратных метров массовый расход газа увеличивается от десятков тонн до десятков килотонн в секунду, время истечения газа уменьшается от ~ 1 года до ~ 1 суток, а мощность горения увеличивается от ~ 1 до ~ 1000 ТВт. В табл. 2 приведены также другие характеристики пожаров на ПХГ в зависимости от площади отверстия,
В табл. 3 приведены массы и объемы выбросов при пожарах на ПХГ в зависимости от массы сгоревшего газа.
Экологические последствия. Автором показано, что энергия вторичных процессов в десятки и сотни раз превышает энергию первичных процессов, т. е. энергию процесса горения газа. Выбросы дыма (аэрозолей) и сажи стимулируют срабатывание триггерного механизма перераспределения энергии. Например, если бы сгорел весь газ на ПХГ «Бильче-Волицкое», то в результате триггерного эффекта земная поверхность недополучила бы около 3×1021–1.5×1022 Дж энергии. Для сравнения укажем, что такого значения энергии Украине достаточно было бы (при сохранении нынешних ее темпов) для потребления в течение примерно 600–3000 лет. К счастью, такое перераспределение энергии, в отличие от перераспределения, связанного с выбросами аэрозолей мощными вулканами, все же не является катастрофическим для атмосферы или земной поверхности.
В результате детальных расчетов установлено, что энергетика сопровождающих пожары акустических и волновых процессов может оказывать заметное влияние на живую природу и здоровье человека. Она намного превышает энергетику акустических и волновых процессов, имеющих место в естественных условиях на территории катастрофы.
К счастью, электрические процессы, вызванные пожарами, обычно не имеют существенных последствий для системы «Земля — атмосфера — ионосфера — магнитосфера», несмотря на их внушительную энергетику. Важно также, что акустические и электрические процессы, возникшие в приземной атмосфере, влияют на процессы в верхней атмосфере, ионосфере и даже в магнитосфере.
Значительные экологические последствия имеют выбросы сажи, угарного газа, углекислого газа и особенно вредных (токсичных) химических веществ, а также тех соединений, которые, взаимодействуя с парами воды, в атмосфере образуют кислоты и т. п. (табл. 3). Кроме кислот, при высоких температурах (около 2000°) возможно образование оксидов азота, также способствующих образованию кислот.
Массы выбросов указанных веществ на много порядков превышают массы этих веществ в атмосфере в естественных условиях над городами Украины (табл. 4). При пожаре на крупнейшем ПХГ может сгореть около 1 Гт газа, и в этом случае дополнительные поступления сажи и акустической энергии существенно превысят содержание сажи, энергии акустических волн и ВГВ в атмосфере над Украиной.
К очень серьезным и пока недостаточно изученным последствиям может привести воздействие инфразвука (да и низкочастотного звука), генерируемого огненным факелом, на население страны (табл. 5). Как видно из табл. 5, мощность акустического излучения может достигать многих мегаватт и даже гигаватт. Для сравнения укажем, что фоновая мощность инфразвука над всей Украиной не превышает единиц мегаватт, а в полосах частот, влияющих на человека (его мозг и нервную систему), она по крайней мере на порядок меньше. Учитывая, что инфразвук распространяется на тысячи километров практически без затухания, можно утверждать, что инфразвуковые колебания от сильных пожаров окажут существенное влияние на состояние здоровья не только жителей данной страны, но и сопредельных государств.
Экономические последствия. В результате катастроф на газопроводах и хранилищах газа страна несет огромные экономические потери: примерно 40 тыс. дол. США за потерю 1 кт газа и около 6 тыс. дол. США, затрачиваемых на ликвидацию последствий. Например, в результате катастрофы на газопроводе «Уренгой — Помары — Ужгород» (6 декабря 2007 г.) сгорело около 2,6 кт газа и убытки составили 0,11 млн дол. США и 0,025 млн дол. США, соответственно (вместе 0,13 млн дол. США). В то же время для поддержания мер безопасности на газопроводах и хранилищах газа требуются существенно меньшие затраты. Таким образом, своевременное предупреждение техногенных катастроф на газопроводах и в хранилищах газа, возникающих по разным причинам, безусловно, приведет к снижению уровня убытков, исчисляемых сотнями миллионов долларов США, и позволит избежать многих тысяч жертв.
Отдельного рассмотрения требуют моральные, этические, социальные и политические последствия катастроф на газопроводах и в хранилищах газа.
Основные итоги исследований крупнейших аварий при транспортировке и хранении газа сводятся к следующему.
В результате длительной эксплуатации газопроводов и хранилищ газа (несколько десятков лет) около 36 тыс. километров коммуникаций и сопутствующих им инженерных сооружений находятся не вполне в удовлетворительном состоянии и требуют весьма срочного ремонта и модернизации. Для восстановления мер безопасности могут понадобиться отселение жителей ближайших населенных пунктов и связанные с этим значительные финансовые и материальные затраты.
Были разработаны системный подход и методика комплексного анализа основных физических эффектов и экологических последствий, позволяющая оценить масштаб катастрофы на любом газопроводе и в любом хранилище газа.
Рискам оказаться в зоне первичных и вторичных пожаров на газопроводах и ПХГ подвергаются, соответственно, около 3,6 и 43 тыс. км2 (или 0,6 и 7 % территории Украины). На этих территориях проживает около 60 тыс. и 700 тыс. человек, соответственно.
Установлено, что массы выбросов дыма, сажи, угарного газа и других химических вредных веществ при пожаре на ПХГ на много порядков могут превышать массы этих веществ в атмосфере над городами Украины и могут сравниться с их массой в атмосфере (и превзойти ее) над всей Украиной.
Показано, что энергия вторичных процессов, связанных с ослаблением интенсивности солнечной радиации заброшенными в результате пожара в атмосферу аэрозолями в десятки и сотни раз больше энергии первичных процессов — пожаров.
Показано, что сильные и продолжительные пожары сопровождаются генерацией инфразвука в полосах биоэлектрической активности мозга мощностью порядка 1–103 МВт. Эта мощность существенно превышает фоновое значение мощности инфразвука на территории Украины.
Расчеты рисков чрезвычайных ситуаций показали, что дальнейшее содержание в неудовлетворительном состоянии стареющих газовых коммуникаций и хранилищ газа представляет собой серьезную угрозу экологической безопасности как для жителей близлежащих населенных пунктов, так и для жителей сопредельных государств.
Численность населения земного шара и его плотность продолжают увеличиваться, количество требуемой энергии и пищи растет, растет энерговооруженность людей, быстро уменьшаются невозобновляемые ресурсы планеты, ускоряется ее загрязнение. Быстрее увеличивается численность населения у народов с низким уровнем культуры, образования и медицинского обслуживания. «Качество» среднего жителя Земли убывает. Расцветают вредные и враждебные цивилизации идеологии и антигуманные культуры. Все это может привести к краху земной цивилизации, которая, возможно, единственная во Вселенной.
Как предотвратить начало краха цивилизации, пока неясно. По существу, на планете необходимо создать режим полета гигантского космического корабля, где все на учете, все воспроизводится, численность населения стабильна, большая часть национального дохода идет на решение экологической проблемы. Известно, что экологическая очистка — дело очень дорогое.
Чтобы избежать надвигающейся всепланетарной катастрофы, необходимо осуществить кардинально новые «прорывы» в науках, технологиях, попытаться частично расселить человечество в космосе и использовать внеземные ресурсы.
Параллельно с этим целесообразно приостановить индустриализацию, урбанизацию, рост народонаселения, повысить удельный вес чистых источников энергии, осуществить полное внедрение замкнутых циклов производства. Кроме того, следует оптимизировать образование, стабилизировать культуру, ликвидировать антигуманные культуры и идеологии, устранить социально-экономические и социальнополитические барьеры.
Человечеству нужно пройти трудный и долгий путь познания общих целей. Ему еще предстоит обрести чувство общности, создать новую мораль и новую нравственность.
Н. Н. Моисеев об этом высказался следующим образом:
«Человечество, чтобы выжить на Земле, должно почувствовать себя единым. Ему необходимо обрести ощущение нераздельной общности и ответственности за судьбу своей планеты. Оно должно почувствовать себя экипажем одного космического корабля, имя которому «Планета Земля»... Необходима новая мораль, которая может сложиться лишь на основе новых запретов, так или иначе ограничивающих личный произвол. Далеко не все отдают себе отчет в том, что эта мораль будет достаточно жесткой: …будущему человеку придется быть дисциплинированным членом экипажа, знающим свое место, четко выполняющим свои обязанности, — он должен знать, где, что и когда надлежит ему делать и чего он не может делать ни при каких обстоятельствах! Это, конечно, не значит, что человечеству следует превратиться в некий живой механизм, подобный муравейнику или термитнику. Люди обязаны сохранять и развивать свою индивидуальность, свои способности, искать и находить новые и трудные решения в непредусмотренных и не имевших прецедента ситуациях».
Статья была опубликована в октябрьском номере журнала "Наука и техника" за 2016 год.
