， ， ，

(1.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電學(xué)院，山東 青島266580； 2.南京市消防局， 南京 210000)

基于多米諾效應(yīng)的海洋平臺(tái)火災(zāi)保護(hù)層定量分析

張薇1,2，王彥富1，孫小斐1，徐昊天1

(1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電學(xué)院，山東青島266580； 2.南京市消防局，南京210000)

為了量化安全屏障的性能，提出基于多米諾效應(yīng)的LOPA模型，闡述模型中相應(yīng)邏輯門的計(jì)算過程與取值來源，并以我國“恩平”海洋油氣田DPP平臺(tái)設(shè)備為例對(duì)事故設(shè)備涉及的緊急切斷系統(tǒng)(ESD)、安全閥(PSV)、水噴淋系統(tǒng)(WDS)和緊急泄壓系統(tǒng)(EDP)等保護(hù)層的表現(xiàn)性能進(jìn)行量化分析與計(jì)算，得到起減弱或抑制多米諾擴(kuò)散效應(yīng)的保護(hù)層組合形式。

多米諾效應(yīng)；LOPA；海洋平臺(tái)；火災(zāi)

0 引 言

隨著石油能源行業(yè)的發(fā)展，我國油氣鉆采工業(yè)由陸地逐漸轉(zhuǎn)向海洋，而海洋平臺(tái)作為海洋油氣開采的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全平穩(wěn)運(yùn)行是保證海洋油氣生產(chǎn)的重要前提。海洋平臺(tái)設(shè)備高度集中，含有大量的易燃易爆等危險(xiǎn)物質(zhì)，極易發(fā)生事故或形成連鎖效應(yīng)，從而演變?yōu)闉?zāi)難性的火災(zāi)爆炸事故。

根據(jù)以往資料顯示，1980年-1988年，北海地區(qū)發(fā)生了數(shù)十起海洋平臺(tái)傾覆事故，其中因?yàn)榛馂?zāi)和爆炸所引起的平臺(tái)失效事故占一半以上[1]，如英國Piper Alpha平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故、印度Mumai油田海洋平臺(tái)傾覆事故、巴西龍卡多P-36號(hào)移動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故和墨西哥灣South Pass Block 60海洋平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故等。這些海洋平臺(tái)大部分配備先進(jìn)的設(shè)備，且都設(shè)計(jì)有諸多保護(hù)層，但是在事故發(fā)生時(shí)，這些保護(hù)層卻失效或未能達(dá)到預(yù)期效果。所以，對(duì)保護(hù)層進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)保護(hù)層薄弱環(huán)節(jié)，并預(yù)測、預(yù)防多米諾事故的發(fā)生越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文對(duì)火災(zāi)多米諾效應(yīng)影響下的保護(hù)層進(jìn)行量化分析與計(jì)算。

1 基于多米諾效應(yīng)的LOPA分析模型

Gabriele和Cozzani等人在傳統(tǒng)LOPA分析的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)火災(zāi)多米諾效應(yīng)的保護(hù)層分析模型，如圖1所示。為了考慮保護(hù)屏障的阻止或減弱多米諾擴(kuò)散作用，模型參考了APPENDIX[2]和DIANOUS等[3]的保護(hù)層劃分方法，將安全屏障劃分為3個(gè)不同層次。(1)主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(active protection system)。在阻止火災(zāi)擴(kuò)散作用中，主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)被劃分為2類：(a) 滅火設(shè)施輸送系統(tǒng)(如：消防水、消防泡沫等)，分為固定式系統(tǒng)、半固定式系統(tǒng)和移動(dòng)式系統(tǒng)；(b) 應(yīng)急切斷系統(tǒng)(ESD)和應(yīng)急泄壓系統(tǒng)(EDS)。(2)被動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(passive protection system)。一般的被動(dòng)保護(hù)設(shè)備是指一個(gè)無能量供給即可觸發(fā)動(dòng)作的系統(tǒng)或屏障，典型的如防火層和壓力安全閥(PSV)，在阻止火災(zāi)多米諾擴(kuò)散中，主要起到2個(gè)作用：(a) 降低容器壁溫度(防火層作用)；(b) 通過控制液體溫度和蒸氣壓力來限制容器內(nèi)部壓力(PSV作用)。(3)程序和應(yīng)急保護(hù)措施(procedural and emergency measure)，主要涉及企業(yè)應(yīng)急救援程序和資源調(diào)度等措施。

圖1 LOPA分析模型

該模型以火災(zāi)事故為觸發(fā)事件建立事件樹，經(jīng)過各個(gè)保護(hù)層減弱后得到離散化結(jié)果：火災(zāi)事故擴(kuò)散、部分?jǐn)U散和未擴(kuò)散等。其中，分析模型根據(jù)各保護(hù)層所起到的作用通過設(shè)定“a，b，c門”的形式集合相關(guān)影響因素，諸如可靠度、失效概率(PFD)、多米諾連鎖效應(yīng)實(shí)際危險(xiǎn)指數(shù)(DCA)和無故障工作時(shí)間等。在多米諾擴(kuò)散概率評(píng)估中，考慮安全屏障性能的主要分析方法和步驟如圖2所示。

圖2 考慮安全屏障性能的主要分析方法和步驟流程圖

2 安全屏障性能評(píng)估

2.1 相關(guān)目標(biāo)設(shè)備和裝置的數(shù)據(jù)庫

參照現(xiàn)行的一些標(biāo)準(zhǔn)，如API-RP-14C[4],API-RP-14G[5],API-RP-14J[6],DNV-OS-D301[7],ISO 13702[8]，確定相關(guān)設(shè)備(RI)和一些重點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息和操作、使用信息等。

引入多米諾連鎖效應(yīng)實(shí)際危險(xiǎn)指數(shù)(Domino Chain Actual Hazard Index，DCA)用以確定設(shè)備產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的危險(xiǎn)指數(shù)[9]。海洋油氣裝置的DCA最大值見表1，涉及的目標(biāo)單元即為最大DCA數(shù)值大于10的設(shè)備所在單元[10]。

表1 海洋油氣裝置多米諾連鎖效應(yīng)實(shí)際危險(xiǎn)指數(shù)(DCA)最大值表

海洋油氣裝置可能涉及到的部分目標(biāo)設(shè)備的主動(dòng)、被動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和應(yīng)急措施見表2。

表2 海洋油氣裝備目標(biāo)部分設(shè)備的主動(dòng)、被動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和應(yīng)急措施

2.2 安全屏障性能評(píng)估

2.2.1 主動(dòng)保護(hù)措施性能評(píng)估

火災(zāi)主動(dòng)防護(hù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可通過建立事故樹的方法求解系統(tǒng)的失效概率。圖3為水噴淋系統(tǒng)失效的事故樹。

圖3 水噴淋系統(tǒng)失效事故樹

通過事故樹的定量計(jì)算方法，對(duì)部分火災(zāi)主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的失效概率進(jìn)行了計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，并與文獻(xiàn)[2]的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。此外，根據(jù)不同系統(tǒng)的響應(yīng)特點(diǎn)對(duì)圖3中不同的“門”類型進(jìn)行計(jì)算，如緊急關(guān)斷系統(tǒng)ESD的影響度取決于其最大響應(yīng)時(shí)間，而圖3中的“a門”計(jì)算式即將此考慮在內(nèi)。同理，水噴淋系統(tǒng)WDS則適用于“b門”。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 保護(hù)層系統(tǒng)的PFD、影響度及“門”類型

由表3可知，不同系統(tǒng)使用不同的觸發(fā)方式，但是這些方式的成功觸發(fā)并不意味著火災(zāi)防護(hù)系統(tǒng)能夠確保阻止擴(kuò)散效應(yīng)的發(fā)生，于是引入影響度，即圖3和表3中的η(由文獻(xiàn)資料[10～12] 中獲取)，用以定義成功控制初始火災(zāi)的概率。

2.2.2 被動(dòng)保護(hù)措施性能評(píng)估

被動(dòng)保護(hù)措施主要表現(xiàn)為一個(gè)減弱多米諾擴(kuò)散效應(yīng)的過程：通過減弱火焰作用于目標(biāo)設(shè)備的物理影響達(dá)到緩解的目的，比如防火層減弱熱輻射對(duì)設(shè)備材料的影響、泄壓設(shè)備通過控制容器內(nèi)液體溫度以及蒸汽量來弱化壓力對(duì)容器的影響。這些系統(tǒng)/設(shè)備均與設(shè)備的無故障工作時(shí)間有關(guān)，即延長無故障工作時(shí)間，可提高設(shè)備/系統(tǒng)的可靠度，因此對(duì)于此類被動(dòng)防火措施，適用于圖3中的“a門”提及的計(jì)算式。

在防火保護(hù)系統(tǒng)失效的情況下，無故障工作時(shí)間Tf作為評(píng)價(jià)容器/設(shè)備完整性的重要表述，可按式(1)進(jìn)行估算：

式中：QHL為接受熱輻射量；V為容器的容量；c，d，e，f的取值見表4。

表4 c，d，e，f取值表

結(jié)合多米諾效應(yīng)分析計(jì)算得到容器的失效概率，即多米諾效應(yīng)的擴(kuò)展概率值[13]為

2.2.3 應(yīng)急保護(hù)措施性能評(píng)估

在火災(zāi)事故場景下，應(yīng)急響應(yīng)可以分為內(nèi)部應(yīng)急救援團(tuán)隊(duì)和外部應(yīng)急救援團(tuán)隊(duì)。這些團(tuán)隊(duì)包括專家、消防員以及受過專業(yè)訓(xùn)練的志愿者或工人。因此，應(yīng)急救援團(tuán)隊(duì)的失效概率取決于救援隊(duì)的技術(shù)水平和準(zhǔn)備情況，其適用于圖3中“c門”計(jì)算式。在針對(duì)減弱多米諾效應(yīng)的LOPA分析中，評(píng)價(jià)應(yīng)急響應(yīng)的重要參數(shù)為一個(gè)時(shí)間段，以目標(biāo)設(shè)備無故障工作時(shí)間為主，此外有其他3個(gè)重要參數(shù)：

(1) 報(bào)警時(shí)間Ta：即采取應(yīng)急行動(dòng)的最長時(shí)間，也指由探測到火災(zāi)到救援團(tuán)隊(duì)報(bào)警的時(shí)間；

(2) 現(xiàn)場救援時(shí)間Ts：指應(yīng)急救援人員和救援物資按照預(yù)先計(jì)劃到達(dá)事故現(xiàn)場所用時(shí)間；

(3) 最終救援時(shí)間Tm：指外部應(yīng)急救援團(tuán)隊(duì)提供的持續(xù)應(yīng)急供給，能夠有效抑制或冷卻目標(biāo)設(shè)備的時(shí)間。

應(yīng)急救援保護(hù)措施的Pd(即“c門”中的失效概率)值按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

海洋油氣裝置的相關(guān)系數(shù)a，b和相關(guān)時(shí)間Ta，Ts，Tm的取值見表5。

表5 海洋油氣裝置應(yīng)急保護(hù)參數(shù)取值表

按照?qǐng)D3中“c門”的計(jì)算方式得到3種離散化輸出結(jié)果：OUT 1，OUT 2，OUT 3。

(1) OUT 1：如果應(yīng)急響應(yīng)沒有觸發(fā)或不可用，那么多米諾擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)發(fā)生；

(2) OUT 2：如果應(yīng)急響應(yīng)觸發(fā)但是Tm值高于Tf，即應(yīng)急團(tuán)隊(duì)沒有如期到達(dá)(η=0)，那么一個(gè)弱化的多米諾擴(kuò)散效應(yīng)就會(huì)發(fā)生；

(3) OUT 3：如果應(yīng)急響應(yīng)成功觸發(fā)且Tm值低于Tf，那么應(yīng)急響應(yīng)成功抑制了火災(zāi)多米諾效應(yīng)的擴(kuò)散(η=1)。

3 實(shí)例分析

本文對(duì)“恩平”海上油氣田DPP平臺(tái)下層甲板上的生產(chǎn)分離器可能發(fā)生的火災(zāi)多米諾事故進(jìn)行保護(hù)層性能定量分析，由工程資料可知，對(duì)生產(chǎn)分離器的保護(hù)措施主要有：應(yīng)急切斷系統(tǒng)ESD，消防系統(tǒng)WDS，應(yīng)急救援系統(tǒng)和壓力安全閥PSV。

通過資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)分離器發(fā)生池火災(zāi)事故頻率為f1=1×10-5y-1。由表3中的數(shù)據(jù)，建立消防系統(tǒng)WDS事故樹并計(jì)算得出WDS失效概率，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得到各系統(tǒng)失效概率見表6。

表6 相關(guān)保護(hù)層的失效概率、影響度、門類型

根據(jù)表6中的信息，建立如圖4所示的以生產(chǎn)分離器池火災(zāi)為初始事故的事件樹。

圖4 生產(chǎn)分離器池火災(zāi)情景下保護(hù)層性能分析事件樹

生產(chǎn)分離器池火災(zāi)影響的二級(jí)事故單元為生產(chǎn)管匯，根據(jù)在多米諾效應(yīng)分析計(jì)算得到的失效概率和無故障工作概率，可計(jì)算最終離散化結(jié)果。表7給出了“c門”引出的各離散化結(jié)果的發(fā)生頻次。

表7 最終離散化結(jié)果及其發(fā)生頻次

續(xù)表7 最終離散化結(jié)果及其發(fā)生頻次

根據(jù)事件樹分析可知，在生產(chǎn)分離器發(fā)生池火災(zāi)的場景下，各保護(hù)層是否成功觸發(fā)和導(dǎo)致多米諾效應(yīng)擴(kuò)散的概率見表8。

表8 保護(hù)層觸發(fā)情況及離散結(jié)果發(fā)生概率

由表8可知：

(1) 單一保護(hù)層作用情況：僅應(yīng)急團(tuán)隊(duì)保護(hù)層作用時(shí)不能有效抑制多米諾擴(kuò)散，其發(fā)生概率為5.48×10-8；ESD保護(hù)層能夠弱化多米諾擴(kuò)散，其發(fā)生概率為1.10×10-3；PSV保護(hù)層未能抑制多米諾擴(kuò)散，其發(fā)生概率為5.44×10-6；WDS未能抑制多米諾擴(kuò)散，其發(fā)生概率為2.39×10-6。

(2) 僅有兩個(gè)保護(hù)層作用情況：ESD和應(yīng)急團(tuán)隊(duì)作用時(shí)，可成功抑制多米諾擴(kuò)散且事故擴(kuò)散概率為1.06×10-4；PSV和應(yīng)急團(tuán)隊(duì)作用時(shí)，發(fā)生弱化多米諾效應(yīng)的概率為5.38×10-5；PSV和ESD作用時(shí)成功抑制多米諾效應(yīng)，擴(kuò)散概率為1.08×10-1；WDS和應(yīng)急團(tuán)隊(duì)作用時(shí)，發(fā)生弱化多米諾效應(yīng)，概率為2.37×10-5；WDS和PSV作用時(shí)，未能抑制多米諾擴(kuò)散，發(fā)生概率為2.35×10-3。

(3) 僅一個(gè)保護(hù)層失效情況：僅WDS失效，則能成功抑制多米諾擴(kuò)散，其概率為1.07×10-2；僅PSV失效，則能成功抑制多米諾擴(kuò)散，且其概率為4.64×10-3；僅ESD失效，則會(huì)發(fā)生弱化多米諾擴(kuò)散，其概率為2.35×10-3；僅應(yīng)急保護(hù)層失效，則可成功抑制多米諾擴(kuò)散，其概率為4.6×10-2；

(4) 當(dāng)所有保護(hù)層正常觸發(fā)時(shí)，會(huì)成功抑制多米諾效應(yīng)的擴(kuò)散。

4 結(jié)論

構(gòu)建了基于多米諾效應(yīng)的LOPA模型，闡述模型中相應(yīng)邏輯門的計(jì)算過程與取值來源。以“恩平”海洋油氣田DPP平臺(tái)為例,對(duì)事故設(shè)備涉及的緊急切斷系統(tǒng)(ESD)、安全閥(PSV)、水噴淋系統(tǒng)(WDS)、緊急泄壓系統(tǒng)(EDP)等保護(hù)層的表現(xiàn)性能進(jìn)行定量分析與計(jì)算。

從案例計(jì)算結(jié)果可知：在生產(chǎn)分離器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，保證4個(gè)保護(hù)層中至少3個(gè)能夠正常觸發(fā)，即可成功抑制火災(zāi)多米諾效應(yīng)的擴(kuò)展。采用基于多米諾效應(yīng)的LOPA分析模型，對(duì)海洋平臺(tái)危險(xiǎn)設(shè)備的保護(hù)層進(jìn)行量化評(píng)估，能夠確定有效減弱/抑制多米諾效應(yīng)擴(kuò)散的保護(hù)層組合形式，可為海洋平臺(tái)保護(hù)層的設(shè)置和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持與建議。

[ 1 ] 朱坤.海洋平臺(tái)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)分析與防護(hù)措施[D].青島：中國石油大學(xué)，2011.

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QuantitativeAssessmentofProtectionLayerPerformanceinPrevention
ofDominoEffectTriggeredbyOffshorePlatformFire

ZHANG Wei1,2, WANG Yanfu1, SUN Xiaofei1, XU Haotian1

( 1.Mechanical and Electrical College， China University of Petroleum， Qingdao 266580, Shandong， China； 2.Nanjing Municipal Fire Department, Nanjing 210000， Jiangsu, China)

The Layer of Protection Anlysis(LOPA) model based on Domino effect is developed aimed at the definition and quantification of safety barrier performance in the prevention of escalation. The simulations of the corresponding logic gate and data source are demonstrated. “EN PING” DPP platform is taken as a case study to calculate quantitatively the performance of protection layer, such as Emergency Shutdown Systems (ESD), Pressure Safety Valve (PSV), Water Deluge Systems (WDS), and Emergency Depressurization Systems (EDP). The effective protection layer combinations to mitigate the domino diffusion effect are concluded.

Domino effect; layer of protection analysis(LOPA); offshore platform; fire

1001-4500(2017)06-0044-09

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51409260); 山東省自然基金面上項(xiàng)目(ZR2012EEM023)；2016年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)-專項(xiàng)資金資助(14CX05035A)

張 薇(1984-)，女，工程師

P75

A