夏 鑫

(七○八研究所 上海 200011)

量化風險分析(QRA)在FPSO上的應用*

夏 鑫

(七○八研究所 上海 200011)

風險評估;FPSO;油氣泄露;QRA;火災;爆炸

通過對某FPSO可能發(fā)生的火災與爆炸的風險進行量化風險分析(QRA),最終得出了FPSO上各類人員的個體風險值和所有人員的群體風險值。針對風險過高的情況,考慮了兩種風險降低措施(加裝防火墻,加大模塊間安全間距),并對風險進行了重新計算,取得了一定的風險降低效果。

0 引 言

近年來,隨著世界海洋油氣工業(yè)的不斷發(fā)展,海上油氣生產及儲運設施的安全問題越來越受到人們的重視,尤其是1988年英國北海Piper Alpha平臺的爆炸事故發(fā)生后,風險評估成為許多國家主管機關對海上油氣工程項目的法定要求,各類風險評估方法越來越多地被用以分析系統(tǒng)存在的各類風險[1,2]。

通過風險評估,對FPSO的設計、建造、運營等過程中存在的事故和事故隱患及其后果進行系統(tǒng)分析,針對事故和事故隱患發(fā)生的可能原因和條件,提出消除危險的技術措施方案,特別是從設計角度采取相應措施,設置多重安全屏障,實現(xiàn)生產過程的本質安全化,做到即使發(fā)生誤操作或設備故障,系統(tǒng)存在的危險因素也不會導致重大事故發(fā)生。

1 QRA核心內容

1.1 風險衡量

FPSO油氣處理系統(tǒng)發(fā)生火災和爆炸的總體風險最終以兩個風險值來表述[3],即:個人風險和群體風險(又稱社會風險)。

1.1.1 個人風險

個人風險所用到的指標是“個人年度的風險”(Individual Risk Per Annum,IRPA)。IRPA值按下式計算:

式中 Tj——各類人員在FPSO不同區(qū)域出現(xiàn)的時間概率;

p(lossk)——系統(tǒng)第k個節(jié)點發(fā)生事故后的

人員喪生的風險概率。

p(lossk)按照文獻[4]中,Pate-Cornell給出的系統(tǒng)風險計算公式計算:

式中,lossk為系統(tǒng)第k階水平的損失,在本文中,表示第k個節(jié)點發(fā)生事故后的損失,{lossk}構成了一個離散的損失分布;ini為第i個頂事件,{ini}構成了所有頂事件的集合;fistm為第m個底事件,{fistm}構成了所有底事件的集合;p為相應的概率;p(lossm｜fistm)為第m種底事件fistm發(fā)生時,系統(tǒng)第k階水平損失的條件概率,在本文中,表示第k個節(jié)點在fistm的事故類型下的損失概率。

個人年度風險是一個很好的評價指標,因為它表征的是某一工種的個體風險,而與暴露于危險中的人員數(shù)量無關。在本文的QRA分析過程中,IRPA被用來進行評價PFSO上各類工作人員的個體風險,并和相關的風險可接受標準進行比較分析。通過比較,可以清楚看出哪類工種面臨著較高的風險。

1.1.2 群體風險

群體風險衡量的是作業(yè)對公司、行業(yè)或者社會的風險。對于社會風險的表述有許多種,于海上設施來講最常用的是“潛在的生命損失”(Potential Loss of Life,PLL)。PLL定義為每年死亡人數(shù)的長期評價值,數(shù)學表達式表示為:

式中 Ni——各類工種的人員總數(shù)。

PLL衡量的是作為一個整體的一群人所面臨的風險,通常是作業(yè)公司的風險管理部門非常關心的指標。在對不同的風險消減措施的有效性進行評價時,最恰當?shù)姆椒ㄊ菍λ鼈兊腜LL值進行比較。

1.2 風險可接受準則

對于風險評估的結果,人們往往認為風險越小越好,這實際上不是一個合理的觀點。因為減少風險是要付出代價的,無論是減少事故發(fā)生的概率還是采取防范措施使事故造成的損失減小,都要投入資金、技術和勞務,而且往往這些投入是巨大的。風險可接受準則的確定就是要解決“怎樣的安全是安全”的問題,解決此問題通常的做法是將風險限定在一個合理的、可接受的水平上,針對影響風險的各種因素,經過優(yōu)化,尋求最佳的投資方案。

目前確定的風險接受準則主要有:ALARP原則、F/N曲線、風險矩陣等。ALARP(As Low As Reasonable Practicable,ALARP)原則又稱最低合理可行原則。在海洋工程事故風險分析中被廣泛采用的是ALARP原則。在本文的QRA分析中,對風險的評價即采用ALARP原則,并采用在海洋工程風險評估領域被廣泛接受的風險限值[5],即個體年度風險值的最大可容忍水平為每千年一次(即1×10-3次/年)死亡,就個體風險而言,當其風險值在此風險限值之上時,就認為此風險是不可容忍的,必須考慮并采取風險降低措施。

個體年度風險值“被廣泛接受”的最高水平為十萬年一次(1×10-5次/年)死亡,當個體風險值在此風險限值之下時,只需要保證風險能夠維持在此等級水平內,而不需要進一步采取預防和風險降低措施。

在高低限值之間的值域即為ALARP區(qū)。處于ALARP區(qū)的風險,應在滿足使其“盡可能低”的要求下,來盡可能地降低風險水平。但是系統(tǒng)的風險水平越低,要進一步降低就越困難,其成本往往呈指數(shù)級上升。所以,必須在系統(tǒng)的風險水平和成本之間作出折衷。風險等級示意圖如圖1所示。

圖1 風險等級示意圖

1.3 QRA計算主要程序[6]

QRA流程如圖2所示。

1.3.1 系統(tǒng)分析

對一個系統(tǒng)進行QRA分析,必須首先要了解該系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)的組成以及操作、檢測、維修的程序。此外,還應確定該系統(tǒng)與其他關聯(lián)系統(tǒng)及物理環(huán)境之間的關系,也就是要確定物理和功能的邊界條件。在此基礎上明確我們要分析的系統(tǒng)及其面對的問題。對于大型的復雜的系統(tǒng),為使風險分析易于進行,有必要將大系統(tǒng)分成若干節(jié)點,對每個節(jié)點單獨進行分析,并最終加以綜合,以形成對全部風險的整體描述。

圖2 量化風險分析(QRA)流程

1.3.2 危害識別

這一步的目的在于找出所有可能的危險源,這些潛在的危險源往往是導致系統(tǒng)發(fā)生嚴重事故的觸發(fā)事件。在本文第二章中給出的幾種方法,如安全檢查表分析、HAZOP分析、FMEA法等都是進行危害識別的有效方法,但是沒有一種方法可以確保做到一個完全的、無疏漏的危害識別,而只能依賴于良好的工程判斷力和豐富的經驗相結合。

1.3.3 頻率分析

頻率分析是對危險源發(fā)生事故頻率的估算。這可以從歷史的統(tǒng)計資料中得到;也可以通過故障樹分析來建立危險產生的邏輯模型,進而找出詳細的原因和計算發(fā)生的概率;還可以用可靠性方法估計構件的失效概率。對于一些特殊情況,如:動態(tài)的過程或人的行為,則需要用到一些特殊的方法,如人因模式故障、影響與關鍵性分析等。

1.3.4 后果分析

后果分析是假定事故發(fā)生后,對其嚴重程度以及造成損失的一種評估。同一危險源引發(fā)的事故,由于子事件的不同,可能導致多種事故類型。在描述事故類型方面,事件樹分析是常用的有效方法,事件樹的源頭為頂事件,它的每一分支代表一種事故類型。后果分析中需要參考的內容往往很多。針對油氣處理系統(tǒng)的事故后果分析,需要參考的內容包括:可燃液體/氣體泄漏后的擴散范圍、噴火火焰長度,熱輻射范圍,爆炸壓力分布及超壓的半徑等等。

1.3.5 風險的計算

對于系統(tǒng)的總體風險計算是綜合頻率分析和后果分析的結果,按照公式(1)、(2)、(3)的方法計算各類員工的個體風險和群體風險值。

1.3.6 風險評價

風險結果以圖表、報告等形式清楚地給出,風險評價的結果應該提供:

(1)設計方案是否滿足一定的風險可接受準則;

(2)找出影響系統(tǒng)風險的主要因素,并且提出風險降低措施;

(3)對系統(tǒng)的某種改進措施作出風險評估,確定風險減低的效果。

2 FPSO油氣處理系統(tǒng)風險計算

2.1 頻率分析

在進行頻率分析之前,首先將各個節(jié)點內的工藝裝置(或設備)可能發(fā)生的泄漏情況根據物料流速的大小劃分為三種類型,即小泄漏、中泄漏和大泄漏,見表1。這種劃分既能夠基本上代表所有類型的泄漏特點,又可使分析得以簡化。泄漏類型分級同樣會在后面的后果模擬分析中得到應用,根據代表性流速來計算不同類型的泄漏所產生的油氣泄漏量,這是在PHAST中進行后果模擬建模的基本輸入量。

表1 泄漏率分級

如果某一工藝節(jié)點在正常操作狀態(tài)下,其中的物料流速是介于1 kg/s～10 kg/s之間時,則認為此節(jié)點沒有發(fā)生大泄漏的可能,因此對此節(jié)點只進行中/小泄漏模擬。

FPSO工藝系統(tǒng)各個節(jié)點的泄漏頻率的計算是以油氣處理系統(tǒng)工藝流程圖(P＆ID)為基礎,精確統(tǒng)計各節(jié)點內各種類型的設備和部件的個數(shù)(如壓力容器、閥門、法蘭、泵,壓縮機等)及管線長度,然后將統(tǒng)計數(shù)據輸入到DNV泄漏頻率分析軟件LEAK中進行計算。通過統(tǒng)計和計算,各節(jié)點的泄漏頻率如下表2所示:

表2 FPSO各節(jié)點泄漏頻率

2.2 后果分析

2.2.1 可燃物質泄漏擴散(參見圖3、圖4)

根據FPSO油氣處理系統(tǒng)各節(jié)點的操作狀態(tài)(如吸收塔的溫度、壓力,管線中的物料流速等),在PHAST軟件中建立各節(jié)點的泄漏模型來模擬發(fā)生泄漏事故后,可燃氣體/液體的擴散情況。

2.2.2 噴火(參見圖5、圖6)

噴火是氣體泄漏燃燒時的一種狀態(tài),主要由一些泄漏要素決定,如泄漏孔徑和壓力。典型的噴火會形成一條狹長的圓錐形燃燒帶?？扇細怏w形成的噴火會釋放出大量的輻射熱量,因此其可能造成的事故后果嚴重程度主要決定于泄漏的方向、位置、周圍活動作業(yè)人員數(shù)量等。在一定的噴火輻射等級范圍內,如果有人員暴露其中,必將會造成傷亡損失。

2.2.3 閃火(參見圖7)

閃火是由可燃氣體云團聚集并被點燃而形成的一種火災形式,由于區(qū)域比較空曠,氣流不受限制,故閃火通常不會產生超壓和熱輻射。這些氣體云團通常在離開泄漏源后被點燃。由于熱浪的影響,燃燒的區(qū)域會擴張至可燃氣體爆炸下限范圍之外。通常閃火持續(xù)的時間相對較短。油氣泄漏產生的閃火,如果有人員暴露其區(qū)域內,將會造成傷亡。

圖3 1號節(jié)點LPG回收氣小泄漏擴散側視圖

圖4 15號節(jié)點原油中泄漏擴散側視圖

圖5 噴火火焰熱輻射等高線圖

圖6 噴射火焰熱輻射強度與下風向距離曲線

圖7 閃火危害范圍曲線

2.2.4 爆炸(參見圖8)

爆炸是由可燃氣體云團的急劇燃燒,并受限在一定區(qū)域內(通風狀況不良,氣流受限)或遇到阻礙而形成壓力激增的一種現(xiàn)象。爆炸所產生能量的迅速釋放會產生劇烈的壓力沖擊波,從而造成人員傷亡和FPSO上某些結構的破壞。通常在分析中,爆炸有別于閃火,其產生能量的迅速釋放會產生爆炸碎片,而且氣體燃燒的同時會使超壓破壞等級加強。

圖8 爆炸超壓與危害距離曲線

2.3 風險結果

見表3。

3 風險評價

圖1中,ALARP區(qū)域的上下限值采用的是文獻[5]中給出的,海洋工程風險評估領域被廣泛接受的個體風險標準,即:上限為1×10-3次/年,下限為1×10-5次/年。值得說明的是,此風險標準被普遍認為是海上工作人員承受所有可能危害的風險值,而本文只對FPSO上油氣處理工藝運系統(tǒng)進行了風險分析,而沒有計算船舶碰撞、結構失效等危險源的風險。根據海上油氣工業(yè)風險標準及歷史統(tǒng)計數(shù)據中油氣處理工藝系統(tǒng)風險在海上全部風險中所占的比例,本文將ALARP區(qū)域的上下限分別設定為7×10-4次/年和7×10-6次/年。

表3 FPSO上各類人員風險值

圖9 FPSO上各類人員個體風險評價

通過風險評價三角形可以看出,FPSO上所有人員的個體風險雖都處于ALARP區(qū)域,但可以明顯看出生產操作人員的個體風險已經非常接近風險不可容忍區(qū)域的下限。維修作業(yè)和甲板海上工作人員的個體風險也都處于較高的位置,有必要考慮采取風險降低措施,來降低這幾類人員的個體風險。

4 風險降低措施

4.1 加裝防火墻

在船舶及海洋工程領域,控制火災對其他區(qū)域(或模塊)的影響,最常用的措施就是在相鄰區(qū)域(或模塊)間加裝防火墻。考慮FPSO上各類人員的分布及危險區(qū)域劃分情況,為能夠有效地降低生產操作及維修作業(yè)人員的個體風險值,故在原油處理區(qū)和公用工程區(qū)之間加裝一道H120級防火墻,并對風險進行重新計算,風險結果見表4。

4.2 加大模塊間安全間距

由事故后果模擬分析結果可知,在同樣的火災和爆炸事故條件下,即在相同的噴火距離和爆炸超壓半徑下,加大工藝模塊間的安全距離,可以降低火災和爆炸對鄰近模塊的影響,即降低火災和爆炸波及其他區(qū)域的后果值。

表4 加裝防火墻后FPSO上各類人員風險值

綜合考慮FPSO總體布置及各區(qū)域的人員分布情況,由于各類工作人員出現(xiàn)在船艏甲板區(qū)的時間非常短,故本文在不加大FPSO總船長的情況下,將LPG回收處理模塊整體向船艏方向平行移動9m距離,并對風險進行重新計算,風險結果見表5。

表5 加大模塊間安全間距后FPSO上各類人員風險值

5 結 語

(1)本文對FPSO油氣處理工藝系統(tǒng)由于物料泄漏而導致的火災和爆炸的事故進行了量化風險分析,風險結果表明,FPSO上全體工作人員的個體風險值都處于風險評判準則的ALARP區(qū)域,如果降低風險需要付出的成本過高,那么認為此風險值是可以忍受的;

(2)PHAST軟件能夠很好地對油氣處理系統(tǒng)中發(fā)生的各種事故進行后果模擬分析,并能將計算結果以圖形和報告的形式直觀形象地表達出來。但是要正確合理地使用該軟件需要結合工程實際,對模擬過程中每一參數(shù)都加以推敲,以確保每一輸入項的合理性,從而使模型能夠更加準確地反應事故實際情況;

(3)加裝防火墻和加大模塊安全距離的兩種風險降低措施,雖然都取得了一定的效果,但是對于個體風險最高的生產操作工,兩種措施的風險減低程度都非常有限,這是因為生產操作工主要在LPG回收區(qū)和原油處理區(qū)活動,有限的措施很難大幅減低其所承受的風險值。同時再次驗證了:若要降低處于ALARP區(qū)域的風險值是非常困難的,而且往往要花費很高的成本和代價。所以必須在系統(tǒng)的風險水平和成本之間做出折衷。但是,本文通過采取上述兩種措施,并對風險進行重新計算后,很好的證明了在不改變任何工藝裝置(或設備)及其操作壓力、物流流速等工藝因素的情況下,通過在設計上改變總體布置的方法確實可以達到降低工藝風險的目的。

[1] R.G.Beaetal.Comparative Risk Assessment of Alternative TLP Systems:Structure and Foundation Aspects[J].Offshore Mechanics and Arctic Engineering,1994,May,Vol.116.

[2] Urbankjellen.Adapting the application of risk analysis in offshore platform design to new framework conditions[J].Reliability Engineering and System Safety,1998,60:143～151.

[3] 崔偉珍.量化風險評估(QRA)在海上生產設施風險管理中的應用[J].安全、健康和環(huán)境,2003(5).

[4] M.E.Pate-Cornell.Risk Analysis and Management for Offshore Platforms:Lessons from the Piper Alpha Accident.1993.

[5] Nadim F,Gud mestad O T.Reliability of an engineering system under a strong earthquake with application to offshore platforms[J].Structure Safety,1994,(14):203～217.

[6] ABS.Risk Assessment Applications for the Marine and Offshore Oil Gas Industries.June,2000.

Quantitive risk analysis(QRA)on FPSO

Xia Xin

risk assessment;FPSO;oil and gas leak;QRA;fire;explosion

With the quantitative risk analysis(QRA)of potential fires and explosions on a FPSO,the Individual Risk Per Annum(IRPA)and Potential Loss of Life(PLL)for all staffs working in the FPSO are computed,and the FPSO carrier's entire risk value was finally combined.For the situation of very high risk,two measures for reducing the risk(firewall installation and enlargement of safety gap between modules)are considered,the recalculated risk value shows that the two measures are both effective.

U 662.3

A

1001-9855(2010)02-0023-07

2009-12-20

夏 鑫(1982.08-),男,漢族,遼寧人,在讀碩士研究生,主要從事船舶總體設計與開發(fā)。