Zjawiska związane z pożarami ropy naftowej i gazu ziemnego, w tym kontrolowane ich podpalenia, stanowią kluczowy obszar wiedzy w dziedzinie bezpieczeństwa pożarowego. W artykule przedstawiono szczegółową analizę mechanizmów wykipienia i wyrzutu (boilover/slopover) ropy naftowej, opisując tragiczne wydarzenia z przeszłości oraz współczesne metody postępowania, w tym świadome inicjowanie ognia przez służby ratownicze.
Zjawisko Wykipienia i Wyrzutu (Boilover/Slopover) Ropy Naftowej
Kipienie i wyrzut ropy naftowej to niezwykle groźne zjawiska, które mogą prowadzić do katastrofalnych skutków podczas pożarów zbiorników magazynowych. Zrozumienie ich mechanizmu jest kluczowe dla skutecznego zapobiegania i prowadzenia akcji ratowniczych.
Mechanizm Powstawania Wykipienia
Początkiem obu zjawisk jest obecność wody w ropie naftowej, która jest naturalnym składnikiem kopaliny. W pierwszej fazie po napełnieniu zbiornika magazynowego woda jest zemulgowana z ropą naftową, ale w trakcie procesu magazynowania część wody wytrąca się i jako środek o większej gęstości tworzy warstwę na dnie zbiornika. Grubość tej warstwy zależna jest od procentowej zawartości wody w masie ropy, czasu magazynowania, a także od ilości i rozkładu zanieczyszczeń stałych na dnie zbiornika, które wpływają na efektywność jego odwadniania. Reszta wody pozostaje mniej lub bardziej równomiernie rozłożona w masie cieczy.
Od momentu wystąpienia pożaru, a najintensywniej w czasie rozwiniętego pożaru powierzchniowego, mamy do czynienia z destylacją ropy naftowej w wyniku oddziaływania ciepła. Temperatura powierzchni cieczy jest równa temperaturze wrzenia. Odparowują i spalają się jej najbardziej lotne frakcje, a pod jej powierzchnią tworzy się przegrzana warstwa ropy o temperaturze przewyższającej jej temperaturę wrzenia (może osiągnąć nawet 350°C). Jej grubość stale wzrasta w trakcie trwania pożaru, ponieważ destylacja tej warstwy powoduje zmniejszenie jej lepkości i wzrost gęstości, a w konsekwencji przesuwanie się warstwy przegrzanej ku dołowi.
Na skutek ogrzewania i odparowywania lżejszych frakcji ropy, zawieszone krople wody stopniowo opadają, zatrzymując się w głębszych warstwach cieczy o stosunkowo dużej lepkości. Jednocześnie nagrzewają się i gdy osiągają temperaturę wrzenia, wyparowują. Wytwarzająca się para wodna powoduje spienienie ropy, która paląc się, przelewa się przez górną krawędź zbiornika - to zjawisko nazywane jest kipieniem.
Zjawisko Wyrzutu (Boilover)
Wyrzut ropy naftowej jest znacznie bardziej dynamicznym i katastrofalnym zjawiskiem niż kipienie. Następuje on w momencie zetknięcia przegrzanej warstwy ropy z zalegającą na dnie zbiornika wodą. Woda w kontakcie z rozgrzaną ropą gwałtownie odparowuje i przechodzi w stan gazowy. Warto pamiętać, że woda, zmieniając stan skupienia w formę gazową, zwiększa swoją objętość aż 1700 razy - z jednego litra wody podgrzanego do 100°C powstaje 1700 litrów pary wodnej.
Gwałtowny wzrost objętości przy przejściu międzyfazowym „woda - para” powoduje nagły wzrost ciśnienia i wyrzucenie palącej się ropy na zewnątrz zbiornika, co znacznie zwiększa powierzchnię pożaru. Zmniejszenie lepkości ropy w warunkach pożarowych powoduje, że ropa porywana jest przez parę wodną i wyrzucana w górę. Wysokość wyrzutu może dochodzić do kilkunastu metrów, a średnica powierzchni zalanej płonącą ropą sięga nawet 300 metrów.
Szybkość przegrzewania i temperatura warstwy przegrzanej zależne są od dwóch głównych czynników, tj. na zasięg wyrzutu ma również wpływ poziom cieczy w zbiorniku. Najistotniejsza jest wielkość powierzchni dna zbiornika. Udowodniono, że w zbiornikach o średnicy powyżej 50 metrów wyrzut następuje szybciej niż w zbiornikach o mniejszej średnicy, a wysokość warstwy wody na dnie nie ma decydującego wpływu na jego siłę. Jak wynika z danych, szybkość przegrzewania ropy naftowej i temperatura warstwy przegrzanej wzrastają wraz z zawartością wody w ropie naftowej. Zawartość wody w ropie naftowej dostarczanej do zbiorników magazynowych nie przekracza 0,5%, jednak rzeczywista zawartość wody oscyluje w okolicach 0,2%.
Po pierwszym wyrzucie ogrzana do bardzo wysokiej temperatury warstwa ropy styka się znów z wodą, powodując następny, jeszcze silniejszy wybuch fizyczny. Zazwyczaj zjawisko to trwa kilka minut i charakteryzuje się wieloma następującymi po sobie wyrzutami. Siła wybuchu zależy od masy wyrzucanej ropy i wielkości powierzchni warstwy wody, z którą styka się przegrzana ropa. Należy pamiętać, że wyrzut ropy może spowodować rozprzestrzenienie się pożaru na sąsiednie zbiorniki, tzw. efekt domina.
Katastrofa w Rafinerii Czechowice-Dziedzice (1971)
Tragicznym przykładem zjawiska wyrzutu był pożar w Rafinerii Czechowice-Dziedzice, który miał miejsce w sobotni wieczór 26 czerwca 1971 roku. Był to wyjątkowo ulewny wieczór, a niebo rozświetlały błyskawice, od jednej z których około godziny 19:50 rozpoczął się pożar. Po 5 godzinach i 30 minutach walki z pożarem nastąpił katastrofalny w skutkach wyrzut ropy naftowej z palącego się zbiornika, który pozbawił życia 37 ratowników.
Ropa ze zbiornika nie wylała się przez nieszczelność jego płaszcza, tylko przelewała przez górną krawędź, a potem wystrzeliła w górę, żeby opadając, zapalić wszystko w odległości nawet 250 metrów. W zbiorniku rafinerii Czechowice-Dziedzice, w którym nastąpiło wykipienie i wyrzut ropy, 1% samej tylko wody kopalnianej stanowiłby aż 125 m³, z czego na skutek całkowitego odparowania mogłoby powstać 212 500 m³ pary wodnej. Zasięg wyrzutu ropy naftowej ze zbiornika wynosił od 90 do 250 metrów.
Gasili pożar gdy nagle wystrzelił ogromny słup ognia! [Największe polskie katastrofy]
Badania i Zapobieganie
Zakładowa Straż Pożarna PERN SA wielokrotnie przeprowadzała na poligonie testy, doprowadzając do wyrzutu ropy naftowej ze zbiornika o średnicy 1,2 metra w celu ustalenia czasu od zapłonu do zaistnienia wyrzutu. Próby prowadzone były w różnych warunkach atmosferycznych i prędkościach wiatru (od 1 m/s do 10 m/s). Wyliczona łącznie szybkość spalania i przegrzewania ropy naftowej nawet przy największych prędkościach wiatru nigdy nie przekroczyła 40 cm/h. Na podstawie doświadczeń stwierdzono również, że zmieszanie warstwy wody znajdującej się na dnie zbiornika testowego z ropą naftową eliminuje wyrzut lub znacząco ogranicza jego zasięg. Każdorazowo jednak dochodziło do wykipienia ropy ze zbiornika.
Warto podkreślić, że choć mechanizm powstawania wyrzutu jest stosunkowo dobrze poznany, zdarzają się długotrwałe pożary powierzchniowe zbiorników ropy naftowej bez zaistnienia tego zjawiska. Kipienie jest zjawiskiem przebiegającym znacznie łagodniej, mniej dynamicznym niż wyrzut. Powiększanie powierzchni pożaru spowodowane kipieniem ropy naftowej ograniczone jest ścianą osłonową lub wymiarami obwałowania w zależności od budowy zbiorników, natomiast zasięg wyrzutu może mieć skutek katastrofalny. Obydwa zjawiska sygnalizowane są wzrostem intensywności palenia się. Możliwe do zastosowania metody zapobiegania wyrzutowi ropy naftowej lub opóźniania go mają jednak niepotwierdzoną skuteczność. Zasady postępowania podczas wystąpienia omawianych zjawisk oraz świadomość zagrożeń z nimi związanych to z pewnością niezwykle ważna tematyka, która ma wpływ na zapewnienie bezpieczeństwa ratownikom.
Pożar Szybu Naftowego w Karlinie (1980-1981)
Jednym z najbardziej pamiętnych i medialnych incydentów w historii polskiego górnictwa naftowego był pożar szybu Daszewo-1 koło Karlina, który trwał ponad miesiąc i wymagał zastosowania unikalnych metod gaszenia, w tym kontrolowanego podpalenia.
Odkrycie i Wybuch
Na początku lat 70. Zjednoczenie Górnictwa Naftowego rozpoczęło poszukiwania ropy naftowej i uruchomiono wiertnię Daszewo-1 w okolicy wsi Krzywopłoty ok. 4,5 km od Karlina (wówczas woj. koszalińskie, obecnie zachodniopomorskie). 9 grudnia 1980 roku, we wtorek, tuż po godzinie 17:00, na terenie wiertni znajdowało się co najmniej kilkunastu pracowników. Jeden z nich zauważył, że płuczka, środek używany do wypłukiwania zwiercin oraz chłodzenia wiertła, jest wypierana na zewnątrz odwiertu: ciśnienie ropy naftowej i gazu ziemnego niebezpiecznie wzrosło. Wiertło szybu Daszewo 1 było prawie 3 km pod ziemią i według geologów do złoża ropy brakowało mu jeszcze 160 metrów, ale około godziny 17 okazało się, że złoże faktycznie istnieje.
Burmistrz Karlina, Waldemar Miśko, wspomina: „Wówczas byłem 19-letnim uczniem technikum. Tego dnia przebywałem w centrum Karlina, kilka kilometrów od wiertni. Zapadał zmierzch. W pewnym momencie na niebie ukazała się wielka, jaskrawa zorza.” Było ciemno i nikt nie zauważył, że w płynie wydobywającym się z szybu wiertniczego pojawiły się bąble gazu. Około godziny 17:20 z otworu wiertniczego wypłynął strumień ropy pod dużym ciśnieniem, który uległ zapaleniu. Przyczyną erupcji była nieszczelność głowicy przeciwwybuchowej (prewentera), której nie wykryła załoga wiertni. Od silników pracujących w maszynowni zapalił się gaz ziemny, potem - ropa. Szyb zamienił się w potężny palnik o temperaturze sięgającej niemal 1000°C. Płomień palącej się ropy sięgał na wysokość 50-60 metrów, a łuna była widoczna z odległości kilkunastu kilometrów. W wyniku eksplozji poparzonych zostało 4 robotników, a baraki pracowników, wieża wiertnicza oraz pozostałe urządzenia wiertni Daszewo-1 zostały doszczętnie spalone.
Akcja Gaśnicza "Karlino 80"
Informacja o pożarze szybko dotarła do służb. Około 17:15 pierwsze zgłoszenie otrzymała Ochotnicza Straż Pożarna z Karlina. Dziesięć minut później st. kapral Alicja Bogatko z Państwowej Straży Pożarnej w Białogardzie odebrała telefon z informacją, że płonie wiertnia Daszewo-1. Ogłoszono alarm. O 17:42 na miejsce pożaru dotarły trzy wozy bojowe z PSP Białogard. W kronice tamtejszej PSP tak opisano pierwsze chwile po wybuchu: „Płonie gaz, wieża wiertnicza przewrócona na skutek dużego promieniowania cieplnego. (...) Ogień jest tak duży, że tworzy nad pobliskim miastem Karlino ogromną łunę stając się widocznym na odległość 30 km.” Dowodzenie akcją objął mł. chor. Marek Bauman, komendant ZSP, a strażacy rozpoczęli natychmiastową ewakuację ludzi i sprzętu.
Walka z żywiołem pod kryptonimem „Karlino 80” trwała 35 dni. Po kilku godzinach w akcji gaszenia szybu brało udział 18 jednostek straży pożarnej, m.in. z Kołobrzegu, Koszalina, Szczecinka i Świdwina. Informacja o skali pożaru dotarła do Warszawy późnym wieczorem 9 grudnia. W ciągu kilku godzin strażacy ewakuowali mieszkańców pobliskich gospodarstw oraz robotników wiertni. Do akcji gaśniczo-ratowniczej w Karlinie włączyły się jednostki inżynieryjne z Pomorskiego Okręgu Wojskowego, Obrona Cywilna, strażacy z kilku jednostek z terenu woj. koszalińskiego oraz jednostki MO, specjalistyczna drużyna ratownictwa górniczego, łącznie około 1000 osób. Na czele akcji stanął inż. Adam Kilar.
Szacowano, że ciśnienie wynosiło około 560 atmosfer, a wysokość słupa ognia od 30 do 100 metrów. Mimo poświęcenia strażacy z Białogardu nie byli w stanie opanować potężnego pożaru. 11 grudnia 1980 roku trwały prace zabezpieczające przed pożarem i zniszczeniem pobliskich zabudowań oraz nawierzchni szosy. Głównym zadaniem było studzenie terenu wokół miejsca erupcji, aby nie doszło do kolejnej eksplozji i jeszcze większego pożaru. Na pobliskiej rzece saperzy wybudowali most pontonowy i stację pomp, która obsługiwała dwa zbiorniki wodne. Mundurowi usypali wokół miejsca erupcji wał antypożarowy.
16 grudnia 1980 roku do Karlina przybyli specjaliści z Węgier i ZSRS, którzy doradzali polskiej ekipie. Kierownictwo akcji ratowniczej objęli inż. Adam Kilar i ekspert radziecki Leon Kałyna. Spalony i stopiony z wieżą wiertniczą prewenter blokował odwiert i utrudniał gaszenie pożaru. Wskutek niemożności podejścia blisko pożaru, 18 grudnia 1980 roku zdecydowano ostatecznie o oczyszczeniu terenu pożaru ze spalonych i zniszczonych elementów stalowych, a resztki prewentera zniszczono ogniem artyleryjskim. Wykorzystano początkowo armatę 85 mm, ale dopiero ostrzał z haubicy 155 mm pociskami przeciwbetonowymi okazał się skuteczny.
Akcję gaśniczą kontynuowano także podczas świąt Bożego Narodzenia i w Nowy Rok. Z Połtawy (ówczesnego ZSRS) przybyła 10-osobowa ekipa inż. Leona Kałyny, która przywiozła agregaty gaśnicze AGWT. Były to pochodzące z myśliwców MIG-17 silniki turboodrzutowe Klimow WK-1F zamontowane na samochodach. Wytworzony przez nie ciąg powietrza tłumił płomienie. 8 stycznia 1981 roku, tuż przed godziną 11:00, za pomocą działek wodnych i agregatów AGWT, po raz pierwszy ugaszono ogień. Brak prewentera spowodował jednak, że złoże ponownie się zapaliło.
Gasili pożar gdy nagle wystrzelił ogromny słup ognia! [Największe polskie katastrofy]
Właściwe Ugaszenie i Konsekwencje
Właściwe ugaszenie pożaru szybu w Karlinie miało miejsce 10 stycznia 1981 roku około godziny 8:00 rano. Użyto wówczas działek wodnych i agregatów gaśniczych AGWT, a za pomocą dźwigu nałożono 11-tonowy prewenter sprowadzony z Rumunii. Ten zaś pozwolił ujarzmić wydostającą się ropę, tym samym akcję gaszenia erupcji uznano za zakończoną.
W ciągu miesiąca w Karlinie spłonęło około 30 tysięcy ton ropy naftowej oraz około 50 milionów metrów sześciennych gazu ziemnego. Łączny koszt akcji gaśniczej, budowy dróg dojazdowych do szybu oraz innych prac inżynieryjnych wyniósł 300 milionów złotych. 16 stycznia 1981 roku o godzinie 15:55 wyruszył ze stacji w Karlinie pierwszy pociąg, składający się z siedemnastu cystern z ropą.
Erupcja i pożar sprawiły, że Karlino stało się sławne nie tylko w Polsce. Codziennie przybywały tu liczne ekipy TVP oraz zagranicznych mediów. Uczestników akcji odwiedził I sekretarz KC PZPR Stanisław Kania, a śmigłowcem Marynarki Wojennej przybył również przewodniczący NSZZ „Solidarność” Lech Wałęsa. Od 10 grudnia 1980 roku relacje z Karlina były stałym punktem głównego wydania Dziennika TVP i znalazły się na pierwszych stronach większości polskich gazet.
Mimo nasilającego się kryzysu społecznego i gospodarczego, w ogólnej świadomości płonący szyb w Karlinie wzbudzał nadzieję, że oto odnaleziono ogromne złoża ropy naftowej. Pojawiały się wręcz opinie, że Polska „stanie się drugim Kuwejtem”, zaś eksploatacja złoża i eksport ropy naftowej rozwiążą polskie problemy gospodarcze. Snuto marzenia o złożach niczym w bogatym Kuwejcie, a wyobraźnię pobudzał imponujący widok płonącej ropy. Niestety, nadzieje na to, że Polska będzie naftowym mocarstwem, „spłonęły” wraz z pożarem w Karlinie. Złoże było niewielkie, a wydobyta ropa średniej jakości (dużo zanieczyszczeń). Według ocen Instytutu Technologii Nafty w Krakowie, ropa pochodząca ze szczelinowego złoża koło Karlina była średniej jakości. Z powodu małej wydajności złoża i średniej jakości ropy w połowie 1983 roku zaprzestano wydobycia. Śledztwo prowadzone w sprawie pożaru również szybko wygasło, głównie ze względu na brak ofiar w ludziach. 9 grudnia 2010 roku zapowiedziano budowę Centrum Nauki i Techniki „Energia”, w którym zwiedzający będą mieli możliwość przeżycia symulacji drżenia ziemi przed wybuchem i zapachu ropy.
Kontrolowane Podpalenia w Praktyce Ratowniczej
Kontrolowane podpalenie gazu lub ropy naftowej, choć brzmi paradoksalnie, jest uznaną metodą w praktyce ratowniczej, stosowaną w celu eliminacji lub ograniczenia zagrożeń.
Incydent w Sękowej (2023)
Przykładem współczesnego zastosowania kontrolowanego spalania jest incydent, który miał miejsce w Sękowej koło Gorlic (Małopolska). W sobotę w południe doszło do erupcji gazu oraz wody ze śladowymi ilościami ropy na prywatnej łące. Substancje te wydostały się na zewnątrz poprzez zlikwidowany w 1995 roku odwiert ropy naftowej Franciszek 1, który przed wojną był eksploatowany jako pole naftowe. Ziemia gorlicka od wieków znana była ze złóż ropy naftowej. Rzecznik prasowy gorlickiej Państwowej Straży Pożarnej Dariusz Surmacz przyznał, że około dwa lata temu niewielka ilość ropy wypłynęła również w Męcinie, wiosce położonej niedaleko Sękowej.
Od sobotniego południa do niedzieli wieczorem spod ziemi wypłynęło około 40 tysięcy litrów substancji - wody zmieszanej z niewielkimi ilościami ropy. Eksperci, w celu kontroli i eliminacji zagrożenia, podpalili ulatniający się gaz. W niedzielę płomień na łące w Sękowej był wciąż widoczny, a słup ognia sięgał 5 metrów wysokości. Służby pracujące na miejscu (straż pożarna, policja, pogotowie górnicze) podkreślały, że nie ma żadnego zagrożenia w związku z erupcją.
Erwin Szwast, kierujący na miejscu akcją ze strony Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa (PGNiG), oddziału w Sanoku, wyjaśnił: „Trwa kontrolowane spalanie gazu. Wraz z gazem na zewnątrz wydostaje się płyn złożowy w postaci wody i śladowych ilości ropy. Oceniam, że wypływ substancji i ilość ulatniającego się gazu nieznacznie maleją.” Woda i ropa spływały do specjalnie wykopanego dołu, a następnie trafiały do beczek i były wywożone do pobliskiej kopalni. Kontrolowane spalanie w Sękowej to przykład bezpiecznego zarządzania niekontrolowanym wypływem substancji łatwopalnych w celu minimalizacji ryzyka dla środowiska i ludzi.